Flüssigkristall-Gummi formt schaltbare 3D-Strukturen

  • quelle: wissenschaft-aktuell.de


    Winzige Flüssigkristalle stecken in jedem Pixel flacher Bildschirme und wirken als elektrisch schaltbare Ventile für Licht. Verbunden mit Polymermolekülen lassen sich Flüssigkristalle nun auch als Bausteine für 3D-Strukturen nutzen, die erst bei Wärme, Licht oder Stromfluss wie auf Knopfdruck entstehen und sich danach wieder kontrolliert zurückbilden. Dieses schaltbare Flüssigkristall-Gummi, über das amerikanische Militärforscher in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, könnte für eine kontrollierbare Strukturierung etwa von Tragflächen, für Roboter oder als winziger Stellmotor genutzt werden.


    „Flüssigkristall-Elastomere zeigen eine einzigartig große Verformung unter Wärmezufuhr“, sagt Timothy White vom Forschungszentrum der Wright-Patterson Air Force Base in Dayton. Mit seinen Kollegen wollte White genau diese Eigenschaft nun kontrolliert nutzen. Dazu verknüpften sie handelsübliche Flüssigkristalle mit flexiblen Polymermolekülen (Polyaminoester). Diese verteilten sie auf einer Fläche, die die Forscher zuvor unter Einsatz eines Lasers mit flachen geometrischen Mustern versehen hatten. Entsprechend dieser Muster ordneten sich die Flüssigkristall-Elastomore – kurz LCE - zu einem 50 Millionstel Meter dünnen Film an.


    Heizten White und Kollegen diesen LCE-Film auf bis zu 175 Grad auf, wölbte sich sofort eine kantige, dreidimensionale Struktur auf. Diese war etwa hundertmal dicker als der ursprüngliche Film. Bei dieser Verformung konnten sogar kleine Lasten, die fast 150-mal schwerer waren als der LCE-Film, angehoben werden. Abgekühlt sank die Struktur wieder vollständig in sich zusammen. Diesen Schaltprozess konnten die Wissenschaftler etwa hundertmal wiederholen, ohne dass Veränderungen an der 3D-Struktur erkennbar waren.


    Abhängig von einem flachen geometrischen Muster können nun verschiedene, komplexe 3D-Strukturen aus Flüssigkristall-Gummi geformt werden. Damit könnte diese Materialklasse für schaltbare Verformungen von Flugzeugoberflächen, für Roboter oder wegen der relativ starken Ausdehnungskräfte als kompakte Aktuatoren genutzt werden. Vor einer Anwendung will Timothy White noch Flüssigkristall-Elastomere entwickelt, die auch auf Licht oder Strompulse statt auf Wärme reagieren.

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