Materialwissenschaft
Laser‑gedruckte Metamaterialien sind jetzt stärker und flexibler
Securities.io zu deinen bevorzugten Quellen auf Google hinzufügen
MIT Breakthrough Makes Rigid Materials Flexible With Metamaterials
Materialwissenschaften ist das Gebiet, das sich mit dem besseren Verständnis von Materialien auf mikroskopischer, oft atomarer Ebene befasst, um sie zu verbessern. Das häufigste Ziel ist es, ein Material stärker zu machen als in seiner klassischen Form, sei es Stahl, Glas oder Keramik.
Metamaterialien gehen einen Schritt weiter, indem sie die Struktur des Materials verändern und ihm andere Eigenschaften verleihen als den Eigenschaften der Basismaterialien, aus denen es besteht. Dies wird meist erreicht, indem wiederholende Muster mit präziser Form, Geometrie, Größe, Ausrichtung usw. erzeugt werden.
Quelle: MIT
Auch hier hat sich die meiste Forschung darauf konzentriert, das Endprodukt stärker zu machen als seine Grundkomponente, mit potenziellen Superstahl, Kohlenstofffaser, Seide und anderen Materialien, die in Körperschutz, Bauwesen oder futuristischen Projekten wie Weltraumaufzügen eingesetzt werden könnten.
Eine neue Art von Metamaterial wird jetzt erfunden, die ansonsten starre und feste Elemente flexibel macht. Diese Entdeckung wurde von MIT‑Forschern gemacht und in Nature Materials1 veröffentlicht, unter dem Titel „Double-network-inspired mechanical metamaterials“.
How Metamaterials Outperform Traditional Materials
Die kontrollierte Herstellung regelmäßiger Mikrostrukturen kann zu einer verbesserten Leistung eines Materials im Vergleich zu seiner Grundkomponente führen. Dies kann durch viele verschiedene Eigenschaften beeinflusst werden, wie elektromagnetische, akustische, strukturelle Festigkeit, thermische usw.
Im Allgemeinen geht dies mit einem Kompromiss einher. Zum Beispiel werden stärkere Materialien in der Regel steifer, was ihre praktische Anwendung einschränken kann.
Es ist also eine Art Revolution, die die MIT‑Forscher schaffen, indem sie Methoden kombinieren, ein Material steifer und stärker, aber gleichzeitig flexibler machen.
“Wir haben erkannt, dass das Feld der Metamaterialien bisher keinen wirklichen Einfluss im Bereich der weichen Materie versucht hat.
Bisher haben wir alle nach den steifsten und stärksten Materialien gesucht.
Stronger and More Flexible: Solving the Metamaterial Trade-Off
Bisher werden die meisten Metamaterialien mit einer Methode hergestellt, die dem 3D‑Druck ähnelt und mikroskopische Streben und Fachwerke erzeugt.
Quelle: ETH Zurich
Stattdessen entwickelten die MIT‑Forscher eine Architektur aus verflochtenen Federn bzw. Spiralen, die von Natur aus flexibler ist.
In ihrem ersten Experiment verwendeten sie ein Material wie Plexiglas, das sehr starr sein sollte, und bauten es „normal“ zusammen. Als es zu einem Metamaterial verwoben wurde, wurde es weich und federnd, wie Gummi.
“Wir öffnen dieses neue Gebiet für Metamaterialien.
Man könnte ein doppeltes Netzwerk aus Metall oder Keramik drucken und viele dieser Vorteile erhalten, da es mehr Energie erfordern würde, sie zu zerbrechen, und sie deutlich dehnbarer wären.
Dies war ein guter Anfang, da starke Materialien verwendet und sie weich und flexibel gemacht werden konnten. Es war jedoch etwas zu erfolgreich, denn obwohl das Material dehnbar war, war es „ein wenig zu weich und nachgiebig“.
Hydrogel-Inspired Design Boosts Flexibility and Durability
Ein weiteres außergewöhnliches Material ist Hydrogel, eine Art weiche, dehnbare, geleeartige Verbindung, die hauptsächlich aus Wasser und einem kleinen Anteil polymerer Struktur besteht. Einige Hydrogele sind sogar natürlich, wie zum Beispiel Gelatine.
MIT‑Forscher haben bereits Wege gefunden, Hydrogel robuster zu machen, während sie seine weichen und dehnbaren Eigenschaften beibehalten. Sie tun dies, indem sie mehrere Polymernetzwerke mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften kombinieren, etwa ein Netzwerk von Molekülen, das von Natur aus steif ist, und eines, das von Natur aus weich ist.
Die Forscher adaptierten dieses Konzept also für ihr Plexiglas‑Metamaterial. Sie kombinierten ein steifes und starkes klassisches Metamaterial, das ein gitterähnliches Gerüst aus Streben und Fachwerken nutzt, mit einem Muster aus Spiralen, die um jede Strebe und jedes Fachwerk gewoben sind.
Beide Materialnetzwerke wurden gleichzeitig hergestellt, mittels einer hochpräzisen, laserbasierten Drucktechnik, die als Zwei‑Photon‑Lithografie bezeichnet wird.
Quelle: LiqCreate
How Double-Network Metamaterials Perform at Any Scale
Das neu erfundene Doppelnetz‑Metamaterial wurde anschließend in verschiedenen Größen getestet. Einige Proben wurden mit Komponenten von mehreren Quadratmikrometern hergestellt, andere bis zu mehreren Quadratmillimetern.
Sie maßen dann die resultierende Festigkeit und Flexibilität mithilfe von Hochgeschwindigkeitskameras, während sie das Material bis an seine Grenzen belasteten.
Quelle: MIT
Das Doppelnetz erwies sich als fähig, das Dreifache seiner eigenen Länge zu dehnen, was zehnmal weiter ist als bei einem herkömmlichen gitterförmigen Metamaterial.
“Stellen Sie sich dieses verwobene Netzwerk als ein Durcheinander von Spaghetti vor, das um ein Gitter gewickelt ist. Wenn wir das monolithische Gitternetz brechen, kommen die gebrochenen Teile mit, und nun verheddern sich all diese Spaghetti mit den Gitterstücken.
Das fördert mehr Verflechtungen zwischen den verwobenen Fasern, was bedeutet, dass Sie mehr Reibung und mehr Energieabsorption haben.
Es ist diese Verteilung der Energie, die den Schlüssel zur Flexibilität des Metamaterials bildet, da ein anfänglicher Riss kaum gerade hindurchgeht und das Material schnell zerreißt.
How Strategic Defects Make Metamaterials Even Tougher
Entgegen der Intuition entdeckten sie zudem, dass es möglich ist, es noch stärker zu machen, indem man Löcher in das Gitter sticht.
Dieser Defekt ermöglicht noch mehr Energieabsorption und erhöht die Gesamtrezylienz des Endprodukts.
“Man könnte denken, dass dies das Material verschlechtert. Aber wir haben gesehen, dass wir, sobald wir Defekte hinzufügten, die Dehnungsfähigkeit verdoppelten und die Energieabsorption verdreifachten.
Das gibt uns ein Material, das sowohl steif als auch zäh ist, was normalerweise ein Widerspruch ist.
Dies ermöglichte dem Forschungsteam, einen theoretischen Rahmen zu entwickeln, um das Verhalten solcher Metamaterialien besser vorherzusagen.
Real-World Uses for MIT’s Flexible Metamaterials
Ein solcher Bauplan wird nützlich sein, um reißfeste Textilien und Stoffe zu entwerfen.
Flexible Halbleiter, das Verpacken von Elektronikchips und langlebige, aber nachgiebige Gerüste, auf denen Zellen für die Gewebereparatur gezüchtet werden können, könnten ebenfalls von dieser Technologie profitieren.
Eine weitere Möglichkeit wäre, dieses Konzept des Mischens verschiedener Metamaterialien (Streben und Fachwerke zusammen mit Spiralen) auf derzeit spröde Materialien anzuwenden. Es könnte ihnen gleichzeitig mehr Flexibilität und mehr Widerstandsfähigkeit verleihen.
Dasselbe Konzept könnte verwendet werden, um bestehenden Materialien neue Eigenschaften hinzuzufügen, zum Beispiel sie von Natur aus reaktiv auf ihre Umgebung zu machen.
„Bisher haben wir über mechanische Eigenschaften gesprochen, aber was, wenn wir sie auch leitfähig oder temperaturreaktiv machen könnten?
Dafür könnten die beiden Netzwerke aus unterschiedlichen Polymeren bestehen, die auf Temperatur auf verschiedene Weise reagieren, sodass ein Stoff seine Poren öffnen oder bei Wärme nachgiebiger werden kann und bei Kälte steifer wird.
Investing in the Future of Commercial Metamaterials
DuPont
DD Preisdiagramm
DuPont ist ein riesiges Chemieunternehmen mit vielen wichtigen Markenchemikalien, wie Kevlar, Styropor, Nomex (Feuerschutz), Great Stuff (Bauklebstoff) usw. Seine fortschrittliche Polymerforschung und Marken für Schutzmaterialien könnten es in die Lage versetzen, von Doppelnetz‑Metamaterialtechnologien zu profitieren.
DuPont ist ein altes Unternehmen mit einer komplexen Geschichte von Übernahmen und in jüngerer Zeit einer Reihe von Ausgliederungen.
Quelle: DuPont
Diese Ausgliederungen haben von DuPont die Abteilungen für Ernährung und Biowissenschaften abgespalten, teilweise an Corteva Biosciences (CTVA ) verkauft, Titanprodukte, die die Chemours Company (CC ) bilden, und Mobilität.
Es wird sich auch im November 2025 von seinem Geschäftsbereich für elektronische Chemikalien trennen, aber das Wassergeschäft (Membranen und Filter für Wasseraufbereitung und -entsalzung) beibehalten, entgegen früherer Pläne.
Quelle: DuPont
Damit wird DuPont ein deutlich fokussierteres Unternehmen, dessen Kernaktivität in fortschrittlichen Polymeren für Wasseraufbereitung und Schutzausrüstung liegt, sowie in fortschrittlichen Materialien für die Luft‑ und Raumfahrt, das Gesundheitswesen und Elektrofahrzeuge.
Quelle: DuPont
DuPont ist ein wirklich internationales Unternehmen mit hoher Nachfrage nach Spezialchemikalien für Wasseraufbereitung und industrielle Fertigung.
Die von DuPont‑Chemikalien bedienten Sektoren sind ebenfalls sehr vielfältig, darunter Bauwesen, Wasseraufbereitung, die Elektronikindustrie, Automobilindustrie, Luft‑ und Raumfahrt, Gesundheitswesen, grüne Energie und industrielle Produktion.
Quelle: DuPont
Die starke Präsenz von DuPont im Bereich Schutzausrüstung und die etablierte Position mit der Marke Kevlar, einem Hochleistungspolymer, sollten ihm helfen, neue Formen von Metamaterialien in kommerzielle Produkte zu integrieren.
In jedem Fall steigt die Nachfrage nach den von DuPont hergestellten fortschrittlichen Chemikalien, da sowohl neue Technologien als auch der Wasserverbrauch wachsen.
Latest on Dupont
Studien Referenziert:
1. Surjadi, J.U., Aymon, B.F.G., Carton, M. et al. (2025) Double-network-inspired mechanical metamaterials. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-025-02219-5
