In der jüngsten Weiterentwicklung von Materialien mit Nano- und Mikrostruktur haben Ingenieure von Caltech ein neues Material entwickelt, das aus zahlreichen miteinander verbundenen Knoten im Mikromaßstab besteht.
Die Knoten machen das Material wesentlich zäher als gleich aufgebaute, aber ungeknotete Materialien: Sie nehmen mehr Energie auf und können sich stärker verformen und dennoch unbeschadet in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Diese neuen geknoteten Materialien können aufgrund ihrer Haltbarkeit, möglichen Biokompatibilität und extremen Verformbarkeit Anwendungen in der Biomedizin sowie in der Luft- und Raumfahrt finden.
„Die Fähigkeit, den allgemeinen Kompromiss zwischen Materialverformbarkeit und Zugzähigkeit zu überwinden [the ability to be stretched without breaking] bietet neue Möglichkeiten, Geräte zu entwickeln, die extrem flexibel und langlebig sind und unter extremen Bedingungen funktionieren können“, sagt der ehemalige Caltech-Doktorand Widianto P. Moestopo, jetzt am Lawrence Livermore National Laboratory. Moestopo ist der Hauptautor eines Artikels über Knoten im Nanomaßstab das wurde am 8. März in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Moestopo half bei der Entwicklung des Materials im Labor von Julia R. Greer, der Ruben F. und Donna Mettler Professorin für Materialwissenschaften, Mechanik und Medizintechnik; Direktor der Fletcher Jones Foundation des Kavli Nanoscience Institute; und leitender Autor des Papiers. Greer steht an vorderster Front bei der Schaffung solcher Materialien mit Nanoarchitektur oder Materialien, deren Struktur im Nanometerbereich entworfen und organisiert ist und die folglich ungewöhnliche, oft überraschende Eigenschaften aufweisen.
Die Zugfestigkeit eines Materials mit mikroskaligen Knoten (links) im Vergleich zu einem Material ohne Knoten, das aber ansonsten strukturell identisch ist (rechts). Bildnachweis: Caltech
„Zu verstehen, wie die Knoten die mechanische Reaktion von Materialien mit Mikroarchitektur beeinflussen, war eine neue Out-of-the-Box-Idee“, sagt Greer. „Wir hatten umfangreiche Forschungen zur Untersuchung der mechanischen Verformung vieler anderer Arten von Mikrotextilien durchgeführt, beispielsweise von Gittern und gewebten Materialien. Der Einstieg in die Welt der Knoten ermöglichte es uns, tiefere Einblicke in die Rolle von Reibung und Energiedissipation zu gewinnen hat sich als sinnvoll erwiesen.“
Jeder Knoten ist etwa 70 Mikrometer hoch und breit, und jede Faser hat einen Radius von etwa 1,7 Mikrometer (etwa ein Hundertstel des Radius eines menschlichen Haares). Dies sind zwar nicht die kleinsten Knoten, die jemals hergestellt wurden – 2017 haben Chemiker einen Knoten aus einem einzelnen Atomstrang geknüpft –, aber dies ist das erste Mal, dass ein Material aus zahlreichen Knoten in dieser Größenordnung hergestellt wurde. Darüber hinaus demonstriert es den potenziellen Wert der Aufnahme dieser Knoten im Nanomaßstab in ein Material – beispielsweise zum Nähen oder Anbinden in der Biomedizin.
Die aus Polymeren hergestellten geknüpften Materialien weisen eine Zugfestigkeit auf, die ungeknotete, aber ansonsten strukturidentische Materialien weit übertrifft, einschließlich solcher, bei denen einzelne Stränge miteinander verwoben statt geknotet sind. Im Vergleich zu ihren ungeknoteten Gegenstücken absorbieren die geknoteten Materialien 92 Prozent mehr Energie und erfordern mehr als doppelt so viel Kraft, um beim Ziehen zu reißen.
Die Knoten wurden nicht geknüpft, sondern in einem geknoteten Zustand hergestellt, indem fortschrittliche hochauflösende 3D-Lithographie verwendet wurde, die Strukturen im Nanomaßstab erzeugen kann. Die Proben detailliert in der Wissenschaftliche FortschrittePapier enthalten einfache Knoten – ein Überhandknoten mit einer zusätzlichen Drehung, die für zusätzliche Reibung sorgt, um zusätzliche Energie zu absorbieren, während das Material gedehnt wird. In Zukunft plant das Team, Materialien zu erforschen, die aus komplexeren Knoten aufgebaut sind.
Moestopos Interesse an Knoten entstand aus Forschungen, die er 2020 während der COVID-19-Sperren durchführte. „Ich bin auf einige Arbeiten von Forschern gestoßen, die die Mechanik physikalischer Knoten im Gegensatz zu Knoten im rein mathematischen Sinne untersuchen. Ich betrachte mich nicht als Kletterer, Seemann oder Mathematiker, aber ich habe mein ganzes Leben lang Knoten geknüpft, Daher dachte ich, es wäre einen Versuch wert, Knoten in meine Designs einzufügen“, sagt er.
Der Artikel trägt einen augenzwinkernden Titel: „Knots are Not for Naught: Design, Properties, and Topology of Hierarchical Intertwined Microarchitected Materials.“ Naval Research.
Mehr Informationen:
Widianto P. Moestopo et al, Knoten sind nicht umsonst: Design, Eigenschaften und Topologie von hierarchisch verflochtenen mikroarchitektonischen Materialien, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade6725