In Zukunft können Sie einem Tintenfisch danken, dass Ihr Kaffee an einem kalten Tag heiß bleibt. Inspiriert von der Haut von Kopffüßern erfanden Ingenieure der University of California ein anpassungsfähiges Verbundmaterial, das Getränkebecher, To-Go-Taschen in Restaurants, Paketboxen und sogar Versandbehälter isolieren kann.
Die Innovation ist ein infrarotreflektierender metallisierter Polymerfilm, der im Labor von Alon Gorodetsky, außerordentlicher UCI-Professor für chemische und biomolekulare Technik, entwickelt wurde. In einem heute veröffentlichten Artikel in Natur Nachhaltigkeitbeschreiben Gorodetsky und sein Team einen großflächigen Verbundwerkstoff, der Wärme durch rekonfigurierbare Metallstrukturen reguliert, die sich reversibel voneinander trennen und bei unterschiedlichen Belastungen wieder zusammenfügen können.
„Die Metallinseln in unserem Verbundmaterial liegen nebeneinander, wenn das Material entspannt ist, und werden getrennt, wenn das Material gedehnt wird, wodurch die Reflexion und Übertragung von Infrarotlicht oder Wärmeableitung kontrolliert werden kann“, sagte Gorodetsky. „Der Mechanismus ist analog zur Ausdehnung und Kontraktion der Chromatophoren in der Haut eines Tintenfischs, die die Reflexion und Übertragung von sichtbarem Licht verändert.“
Chromatophor-Größenänderungen helfen Tintenfischen zu kommunizieren und ihren Körper zu tarnen, um Raubtieren auszuweichen und sich vor Beute zu verstecken. Gorodetsky sagte, durch die Nachahmung dieses Ansatzes habe sein Team eine „einstellbare Thermoregulierung“ in seinem Material ermöglicht, was zu einer verbesserten Energieeffizienz führen und empfindliche Finger vor heißen Oberflächen schützen könne.
Ein entscheidender Durchbruch dieses Projekts war die Entwicklung einer kostengünstigen Produktionsmethode ihres Verbundmaterials durch die UCI-Forscher in anwendungsrelevanten Mengen. Die Kupfer- und Gummirohstoffe beginnen bei etwa einem Cent pro Quadratmeter, wobei die Kosten laut der Zeitung durch Skaleneffekte weiter gesenkt werden. Die Fertigungstechnik des Teams umfasst das Abscheiden eines Kupferfilms auf einem wiederverwendbaren Substrat wie Aluminiumfolie und das anschließende Aufsprühen mehrerer Polymerschichten auf den Kupferfilm, was alles in nahezu jeder erdenklichen Chargengröße erfolgen kann.
Bildnachweis: University of California, Irvine
„Die kombinierte Fertigungsstrategie, die wir jetzt in unserem Labor perfektioniert haben, ist ein echter Game Changer“, sagte Gorodetsky. „Wir arbeiten seit Jahren mit von Kopffüßern inspirierten adaptiven Materialien und Systemen, konnten sie aber bisher nur auf relativ kleinen Flächen herstellen. Jetzt gibt es endlich einen Weg, dieses Zeug Rolle für Rolle in einer Fabrik herzustellen.“
Die entwickelte Strategie und Skaleneffekte sollten es ermöglichen, dass das Verbundmaterial in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden kann, von der Kaffeetasse bis hin zu Zelten oder in jedem Behälter, in dem eine einstellbare Temperaturregulierung gewünscht wird.
Die Erfindung wird aufgrund ihrer ökologischen Nachhaltigkeit die Umwelt schonen, sagte der Hauptautor Mohsin Badshah, ein ehemaliger Postdoktorand der UCI in chemischer und biomolekularer Technik. „Das Verbundmaterial kann in großen Mengen recycelt werden, indem das Kupfer mit Essig entfernt und etablierte kommerzielle Methoden verwendet werden, um das verbleibende dehnbare Polymer wiederzuverwenden“, sagte er.
Das Team führte in seinem Labor auf dem UCI-Campus universelle Kaffeetassentests durch, bei denen es bewies, dass es die Kühlung des Kaffees kontrollieren konnte. Sie waren in der Lage, die Temperaturänderungen für die mit Getränken gefüllten Becher genau und theoretisch vorherzusagen und dann experimentell zu bestätigen. Der konnte unter standardisierten Testbedingungen auch eine 20-fache Modulation der Infrarotstrahlungsdurchlässigkeit und eine 30-fache Regulierung der Wärmeflüsse erreichen. Das stabile Material funktionierte auch bei starker mechanischer Verformung und nach wiederholter mechanischer Beanspruchung.
„Es gibt eine enorme Bandbreite an Anwendungen für dieses Material“, sagte Gorodetsky. „Denken Sie an all die verderblichen Waren, die während der Pandemie zu den Menschen nach Hause geliefert wurden. Jedes Paket, das Amazon oder ein anderes Unternehmen versendet und das temperaturkontrolliert werden muss, kann eine Auskleidung aus unserem von Tintenfischen inspirierten adaptiven Verbundmaterial verwenden. Jetzt, wo wir große Blätter davon auf einmal machen können, haben wir etwas, das vielen Aspekten unseres Lebens zugute kommen kann.“
Alon Gorodetsky, Skalierbare Herstellung nachhaltiger Verpackungsmaterialien mit einstellbarer Thermoregulierbarkeit, Natur Nachhaltigkeit (2022). DOI: 10.1038/s41893-022-00847-2. www.nature.com/articles/s41893-022-00847-2