Der Traum der Ingenieure - intelligente Werkstoffe

Forschung und Technik lassen Dinge Wirklichkeit werden, die früher Zukunftsträume waren: Metalle, die sich an frühere Formen erinnern können, Lacke, die ihre Farbe ändern und selbst heilende Materialien. Hier erfahrt ihr mehr über sogenannte intelligente Werkstoffe.

Als intelligente Werkstoffe (eng. "Smart Materials") bezeichnet man Baustoffe und Materialien, die selbständig auf Grund ihrer inneren Struktur auf Reize von außen reagieren können. Das können Metalle und Flüssigkeiten sein, die auf elektrische Spannung, Licht oder chemische Veränderungen reagieren. Das klingt zunächst mal sehr trocken, aber es geht um nichts weniger als die Werkstoffe der Zukunft.

Besonders bedeutsam sind Anwendungen in der Medizin. Intelligente Materialien sorgen für kleinere Eingriffe und bessere Heilung. So gibt es einen fadenförmigen intelligenten Kunststoff, der bei der Wundversorgung eingesetzt werden kann. Durch die Körpertemperatur kräuselt er sich und kann so Wunden ohne aufwendige Naht verschließen. Außerdem wird er durch den Körper abgebaut, so dass kein Fäden ziehen mehr nötig ist.

Flüssigkeiten unter Spannung

In modernen Prothesen können Flüssigkeiten und Gele eingesetzt werden, die bei Stromfluss dickflüssig werden. Das kann Kräfte dämpfen oder dem Träger enorm beim gezielten Einsatz seiner Kraft helfen.

Auch Flüssigkeiten können ihre Eigenschaften ändern: Sie wechseln etwa beim Anlegen einer Spannung ihre Zähigkeit. Das heißt, einmal sind sie dickflüssig wie Honig, dann wieder flüssig wie Wasser. Flüssigkeiten, die auf elektrische Felder reagieren, nennt man auch "elektrorheologisch".

Flüssigkeiten, die auf Änderungen des Magnetfeldes reagieren, nennt man entsprechend "magnetorheologisch". Die Rheologie ist, kurz gesagt, die Wissenschaft vom Fließverhalten (gr. "rhei" = "fließen", "logos" = "lehre").

Solche Flüssigkeiten können in Stoßdämpfern im Auto, bei Brücken oder bei Krankenliegen eingesetzt werden: Je nach Untergrund wirken sie dann mehr oder weniger dämpfend. Auch in Prothesen für Menschen mit fehlenden Gliedmaßen können solche Flüssigkeiten verwendet werden.

Selbstheilende Kunststoffe

Es gibt zwei Arten selbst heilender Kunststoffe. Die eine Art kann sich an eine Form erinnern, in die sie einmal gebracht wurde. Durch Temperaturänderung wird diese Form immer wieder abgerufen. So gibt es schon heute Stoßfänger bei Autos, die nach leichten Zusammenstößen einfach durch eine Temperaturänderung wieder ausgebeult werden können.

Außerdem gibt es Kunststoffe, in die kleine Kapseln mit anderen Substanzen eingebracht sind. Entsteht nun ein Riss, dann werden auch die enthaltenen Kapseln beschädigt. Der eingelagerte Stoff tritt aus, reagiert chemisch mit dem Kunststoff, verhärtet sich und der Riss ist somit repariert.

Spannung unter Druck

Ein piezoelektrischer Zünder aus einem "elektrischen" Feuerzeug. In echt ist er etwa 1,5 cm lang.

Wortwörtlich spannend sind auch sogenannte piezoelektrische Stoffe. Dieser Effekt tritt in nicht leitenden Materialien auf. Er bewirkt, dass unter Druck an dem Material eine elektrische Spannung anliegt. Oder aber auch, dass das Anlegen einer elektrischen Spannung eine Formveränderung bewirkt.

Du kennst diesen Effekt aus sogenannten "elektrischen" Feuerzeugen, bei denen der Funke durch ein Piezo-Element erzeugt wird. Dabei entstehen bis zu 15.000 Volt, aber es fließt nur ein schwacher Strom. Aber auch in Quarzuhren, Tintenstrahldruckern, Lautsprechern oder Einspritzdüsen in Autos findet man piezoelektrische Bauteile.

Richtig interessant ist aber die umgekehrte Anwendung, die Formänderung durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Forscher der NASA wollen aus solchen Materialien Flugzeuge bauen, deren Flügel sich je nach Flugzustand optimal verformen. Bei der Landung ist eine andere Flügelform besser als beim Hochgeschwindigkeitsflug.

Bunter Farbwechsel

Ein photochromes Brillenglas. Zur Demonstration des Effekts wurde ein Teil mit Pappe abgedeckt, der andere, dunkle Teil nicht.

In der Automobilindustrie experimentiert man mit Lacken, die ebenfalls unter Spannung ihre Farbe ändern. Das eröffnet ganz neue Möglichkeiten für das Design von Fahrzeugen. Solche Stoffe werden "elektrochrom" genannt.

Ähnlich funktionieren die selbsttönenden Sonnenbrillen, die bei besonders starkem Sonnenlicht dunkel werden und bei weniger Licht wieder hell. Hier ist Licht der Auslöser der Veränderung, entsprechend heißen solche Stoffe "photochrom" (gr. "phos" = "Licht" und "chroma" = "Farbe").

Außerdem gibt es noch eine Vielzahl weiterer intelligenter Stoffe, etwa Folien zur Lebensmittelverpackung. Wenn das Fleisch nicht mehr frisch ist, verfärbt sich die Folie unwiderruflich. So weiß der Verbraucher, ob das Schnitzel auch so frisch ist, wie es aussieht. Das funktioniert, weil älter werdendes Fleisch bestimmt chemische Substanzen absondert. Andere Substanzen in der Folie reagieren damit und es kommt zu einer Farbänderung.

Wer naturwissenschaftlich interessiert ist, findet auf dem Gebiet der intelligenten Werkstoffe ein großes Forschungsfeld mit Zukunft!

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Text: -jj- 26.9.2011 // Bilder: Sonnenbrille Vista LowCost cc-by-sa 3.0; Piezozünder PD; Prothese Afurse cc-by-sa 3.0;

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