Funktionswerkstoff Nano-Papier nach dem Vorbild der Seegurke

Materialdesign nach dem Vorbild der Seegurke: So wie der ungewöhnliche Meeresbewohner seine Außenhaut verhärten oder erweichen kann, so wechselt ein neuartiges Papier per Knopfdruck zwischen hartem und weichem Zustand. Diese veränderbare Materialfestigkeit könnte in Dämpfungsmaterialien nützlich sein.

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Johannes-Gutenberg-Universität Mainz

Seegurken sind Meeresbewohner mit erstaunlichen Verteidigungsmechanismen. So können einige Arten etwa ihre Eingeweide in Form von klebrigen Fäden auf ihre Fressfeinde sprühen, um den Angreifer abzuwehren. Die Innereien regenerieren sich innerhalb weniger Wochen vollständig.

Forscher der Johannes-Gutenberg-Universität (JGU) haben allerdings eine weniger unappetitliche Fähigkeit der Seegurke näher ins Auge gefasst: Die Tiere können bei einer Attacke nämlich ihr eigentlich weiches Gewebe anpassen und verstärken, sodass sich ihr Äußeres unmittelbar versteift. „Das ist ein adaptives mechanisches Verhalten, das fundamental gesehen schwierig nachzubilden ist", sagt Prof. Dr. Andreas Walther von der JGU. Gemeinsam mit seinem Team und Kollegen von der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg hat er diese Eigenschaft der reversiblen Materialverhärtung in einem neuartigen Material in abgewandelter Form nachgebaut.

Vom Strom erweicht

Die Forscher haben ein hauchdünnes, steifes Nano-Papier entwickelt, welches auf Knopfdruck weich und elastisch wird. Dazu haben sie Zellulose-Nanofibrillen verwendet, die aus der Zellwand von Bäumen extrahiert und aufgearbeitet werden. Nanofibrillen sind noch feiner als die Mikrofasern im Papier und ergeben ein komplett durchsichtiges, fast glasartiges Papier. Das Material ist steif und zugfest und wird im Leichtbau eingesetzt. Seine Eigenschaften sind mit denen von Aluminiumlegierungen vergleichbar.

„Wir haben das Material mit einem Mechanismus versehen, sodass die Festigkeit und Steifheit über einen elektrischen Schalter moduliert werden kann“, erklärt Walther die besonderen Eigenschaften des Nano-Papiers. Sobald elektrischer Strom fließt, wird es weich; stoppt der Stromfluss, erhält es seine Festigkeit zurück. Auf molekularer Ebene wird bei dem Vorgang das Ausgangsmaterial durch die Stromzufuhr erwärmt und in der Folge werden Vernetzungspunkte reversibel gebrochen: Je höher die angelegte Spannung, desto mehr Vernetzungspunkte brechen und desto weicher wird das Material.

Anwendung als Dämpfungsmaterial denkbar

Per Knopfdruck die Festigkeit eines Materials zu verändern, ist für die Forscher ein großer Erfolg. „Alle Materialien um uns herum sind wenig veränderlich, sie wechseln nicht ohne Weiteres von steif auf elastisch und umgekehrt. Hier können wir das mithilfe von Strom auf leichte und elegante Weise bewerkstelligen“, sagt Walther.

Relevant ist dies für mechanische Materialien, die somit bruchresistenter gestaltet werden können, oder für adaptive Dämpfungsmaterialien, die beispielsweise bei Überlastung von steif auf nachgiebig umschalten. Aktuell braucht es noch eine Stromquelle, um die Festigkeit umzuschalten. Das nächste Ziel wäre ein Material mit einem eigenen Energiespeichersystem, sodass die Reaktion praktisch intern ausgelöst wird, sobald beispielsweise eine Überlastung eintritt und Dämpfung notwendig würde. „Jetzt müssen wir den Schalter noch selbst umlegen, aber unser Traum wäre es, dass das Materialsystem dies von sich aus bewerkstelligen kann“, schildert Walter.

Orignalpublikation: D. Jiao et al., Electrical switching of high-performance bioinspired nanocellulose nanocomposites, Nature Communications volume 12, Article number: 1312 (2021); DOI:10.1038/s41467-021-21599-1

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