Wenn jemand eine „harte Schale, aber eine weiche Mitte“ hat, wird das oft als ansprechende Charaktereigenschaft angesehen. Doch für den Polymerchemie-Professor Markus Gallei und seinen Doktoranden Lukas Siegwardt liegt der Reiz darin, „perfekte Teilchen“ genannte Objekte mit einem harten Kern und einer weichen Hülle zu schaffen.
Der Begriff „perfekte Partikel“ bezieht sich auf Partikel, die alle von identischer Größe und Form sind. Siegwardt und Gallei haben diese Ausgangsmaterialien, die typischerweise aus gängigen Polymeren wie Polystyrol oder Poly(ethylacrylat) bestehen, nun so modifiziert, dass sie nun in einem 3D-Drucker verarbeitet werden können – was bisher nicht möglich war.
Methoden zur künstlichen Herstellung von Materialien, die Strukturfarben zeigen, gibt es seit 2001, waren jedoch auf ultradünne Filme mit einer Dicke von Bruchteilen eines Millimeters beschränkt. „Herkömmlicherweise wurden diese Materialien in industriellen Pressen oder Filmwalzanlagen verarbeitet, um dünne Polymerfilme herzustellen, die ihre Farbe ändern können“, erklärte Professor Gallei.
Die Farbe der Folie kann durch zahlreiche Mittel verändert werden, wie z. B. durch Ziehen am Material, Anlegen einer elektrischen Spannung, Ändern der Temperatur oder Modifizieren des pH-Werts, um nur einige zu nennen. „Man kann die Farbe des Materials im Wesentlichen nach Bedarf steuern“, sagt Markus Gallei. Die beiden großen Vorteile solcher Strukturfarben sind, dass sie – im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Farbpigmenten – völlig unbedenklich sind und niemals verblassen.
Zudem sind diese Materialien nahezu unbegrenzt wandelbar, was bis vor kurzem noch dadurch eingeschränkt war, dass sie nur als ultradünne Folien hergestellt werden konnten. Wenn diese Materialien zu 3D-Objekten geformt werden könnten, könnten sie in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in der Fälschungsschutztechnologie oder als vielseitige Messsensoren, um nur zwei potenzielle zukünftige Anwendungen zu nennen. Die Partikel können so hergestellt werden, dass sie sehr spezifische Eigenschaften aufweisen und sich gleichzeitig gut formen lassen.
Lukas Siegwardt demonstriert den chamäleonartigen Charakter des Materials, indem er an einem bedruckten Probekörper von etwa fünf Zentimetern Länge zieht. Während er daran zieht, ändert sich die Farbe des Objekts schrittweise von Rot zu Blau. „Man sieht also, dass dieses Material bereits als einfacher Sensor fungiert, der auf Zug- und Druckkräfte reagieren kann“, erklärt Siegwardt.
Um die zugrunde liegende Chemie zu verstehen, müssen wir zu den zuvor erwähnten „perfekten Partikeln“ von Standardpolymeren zurückkehren. Diese sind im Handel als weißes, klebriges Pulver erhältlich, das in eine Industriepresse oder inzwischen häufiger in einen 3D-Drucker gegeben wird.
„Während des Druckvorgangs ordnen sich die Partikel zu regelmäßigen Mustern an, die je nach Abstand zwischen den Partikeln unterschiedliche Farben haben“, erklärt Markus Gallei.
Die weichen Hüllen der einzelnen Partikel schmelzen zu einer fließfähigen Masse, die die harten Kerne umgibt. Durch Ziehen an einem Gegenstand verändern sich die Abstände zwischen den einzelnen Kernpartikeln und die Farbe verändert sich entsprechend. Die harten perfekten Teilchen bewegen sich im weichen umgebenden Medium und ordnen sich zu einem neuen Muster an. Markus Gallei erklärte diese Umlagerung auf molekularer Ebene als „das Herauspressen von Honig zwischen den einzelnen Partikeln“.
Die Veränderung der Abstände zwischen diesen winzigen Partikeln verändert die Art und Weise, wie das Material mit sichtbarem Licht interagiert, und verändert somit die Farben, die wir beobachten.
Doch solche Materialien für den 3D-Druck vorzubereiten, war für Lukas Siegwardt mit viel Laborarbeit verbunden. „Ich habe das Material so modifiziert, dass es tatsächlich gedruckt werden kann. Ich habe Monate gebraucht, um die richtige Zusammensetzung und die richtigen Rezepte zu finden“, sagt Siegwardt. Dabei gab es zwei harte Nüsse zu knacken. Zunächst musste Siegwardt die Fließeigenschaften des pulverförmigen Ausgangsmaterials so modifizieren, dass die Partikel die Düsen des Druckers nicht verstopfen und das Material möglichst rückstandsfrei bedruckt werden kann.
„Das zweite Problem waren die thermischen Eigenschaften des Materials. In einer Industriepresse muss das Ausgangsmaterial etwa 120 °C aushalten. Aber in einem 3D-Drucker erfährt das Material Temperaturen von 140 °C und manchmal bis zu 200 °C.“ erläutert Siegwardt die Anforderungen an das Material. „Viele der Materialien, die ich in diesen Monaten getestet habe, waren einfach nicht geeignet“, erinnert er sich. Doch seine Beharrlichkeit zahlte sich aus und er fand endlich das richtige Rezept.
Dank ihrer Bemühungen haben die beiden Forscher der Universität des Saarlandes eine Methode etabliert, mit der sich neue und praktische Anwendungen für diese schimmernden strukturfarbenen Objekte entwickeln lassen. Und es kommt auf eine weiche Schale und einen harten Kern an.
Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Fortschrittliche Funktionsmaterialien.
Mehr Informationen:
Lukas Siegwardt et al, Komplexe 3D‐gedruckte mechanochrome Materialien mit irisierenden Strukturfarben basierend auf Kern‐Schale‐Partikeln, Fortschrittliche Funktionsmaterialien (2023). DOI: 10.1002/adfm.202213099