Smart materials der nächsten Generation haben komplexe Metamaterialstrukturen und können dadurch autonom Systemfunktionen ausführen, eine höhere Funktionsintegration erlauben und innovative, neue Anwendungen ermöglichen.

 

 

Smart materials haben den Entwicklungs- und Funktionsraum, den Materialien einnehmen, erheblich verändert. Anders als in Strukturmaterialien kann durch eine Temperaturänderung, das Anlegen eines Magnetfeldes oder eines Stroms die Form des Materials in der Anwendung verändert werden. Das Neue für Designer war, dass die Veränderlichkeit von Materialien in Anwendungen genutzt werden kann. Diese Sicht auf Materialien hat in den letzten Jahren viele Innovationen ermöglicht. Im Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials CPM haben wir diesen Gedanken seit 2018 wesentlich weiterentwickelt. Hier kombinieren wir die Fähigkeiten von smart materials, z. B. NiTi oder Polyurethan, mit sogenannten Metamaterialien. Hierbei handelt es sich um Materialien, die aus feinen, geordneten 3D-Strukturen aufgebaut sind, ähnlich wie medizinische Stents. „Meta“ stammt aus dem Griechischen und bedeutet in diesem Zusammenhang inmitten oder zwischen. Dabei wird hier auf die Designebene zwischen einem makroskopischen Bauteil und der atomaren Zusammensetzung angespielt. Aus der Biologie kennen wir beispielsweise die irisierenden Farben, die Schmetterlinge nur durch eine mikroskopische Oberflächenstrukturierung auf den Flügeln erzeugen, die kein Farbpigment enthalten. Die Oberflächenstruktur ist hier feiner aufgelöst als die Wellenlänge des Lichts und es werden je nach Strukturgröße ganz bestimmte Farben reflektiert. Analog dazu sind mechanische Metamaterialien so fein aufgebaut, dass wir als Mensch die innere Struktur nicht mehr wahrnehmen, sondern nur die resultierenden mechanischen Eigenschaften. Auch wenn wir wissen, dass eine Matratze aus kleinen Polymer-Bläschen besteht, fühlt sie sich wie ein homogenes Material an – es ist überall gleich elastisch bzw. nachgiebig.

 

 

Designt man nun Metamaterialien aus lauter einzeln anpassbaren Elementen, lassen sich Reaktionen auf von außen aufgebrachte Last, Temperatur oder elektrische Felder einprogrammieren. Damit kann ein Bauteil selbstständig in einer vorherbestimmten Weise reagieren, indem sich z. B. die Form einer Karosserie ändert, sich die Dämpfung in Schuhen an das Gewicht anpasst, sich ein Filter schließt, wenn bestimmte Giftstoffe im Wasser sind oder sich die Benetzbarkeit einer Oberfläche ändert. Das „Programmieren“ findet einerseits auf der atomaren oder molekularen Ebene (z. B. Anpassen der Einsatztemperatur von NiTi über die Legierungszusammensetzung, in Polyurethan durch die molekulare Struktur oder des pH Bereichs eines Hydrogels durch die entsprechenden Nebenketten) bzw. auf der mesoskopischen Werkstoffebene (z. B. durch die Additivierung von Kunststoffen, um sie magnetisch, elektrisch leitfähig, mikrowellenabsorbierend o. ä. zu machen) und andererseits auf der (Meta-)Strukturebene statt. Die Strukturelemente sind meist kleine, aus „Bälkchen“ hergestellte, in allen drei Raumrichtungen aneinandergereihte Wiederholeinheiten, aus denen das Bauteil aufgebaut wird. Durch bestimmte Strukturelemente, wie z. B. Sperrmechanismen, können logische Elemente aufgebaut werden: WENN das Material stärker zusammengedrückt wird als 10 %, DANN nimmt die Steifigkeit aufgrund der Arretierung schlagartig zu, SONST ist sie wie vorher. Diese WENN-DANN-SONST Logik verwenden wir auch beim Programmieren. Weiter-hin kommen Elemente zum Einsatz, die durchschnappen können, ähnlich wie eine metallene Haarspange, was die Speicherung von einer vorher einprogrammierten maximalen Dehnung oder Temperatur erlaubt. Damit können beispielsweise in Zukunft die Sitze und das Armaturenbrett im Auto genauso wie eine Prothese oder ein Exoskelett durch die Nutzer*innen individuell immer wieder angepasst bzw. zurückgestellt werden. Weiterhin kann die Reaktion des Materials selbst so eingestellt werden, dass es genau die Funktion erfüllt, die durch die Anwendungsdesigner*innen vorgegeben wurde.
Durch eine geschickte Verteilung dieser einzelnen Struktur-elemente in einem Bauteil, z. B. bei welcher Dehnung die Arretierung einsetzt, kann ein unscheinbarer Sitzwürfel eine sehr bequeme Form ausbilden, sobald sich jemand daraufsetzt. Metamaterialstrukturen erlauben auch, den Durchfluss von Medien zu steuern. Damit kann die Dämpfung unabhängig von der Temperatur und stattdessen abhängig von der Belastung (Frequenz oder Dehnungsrate) programmiert werden. Weitere Anwendungsfelder sind z. B. eine elektrisch einstellbare Reibung in einer Kraftkupplung und die Freisetzung von Wärmeenergie, um Batterien schnell auf Temperatur zu bringen.
Mittels der Programmierbaren Materialien lassen sich damit komplexe mikroelektromechanische Systeme ersetzen, die aus Sensoren, Prozessoren, Aktuatoren, Stromversorgung und mechanischen Bauteilen bestehen. Wo sich Programmierbare Materialien in Zukunft einsetzen lassen, wird dies zu erheb-lichen Kosten- und Materialeinsparungen führen oder die Systemkomplexität erheblich verringern. Weiterhin können die Programmierelemente miteinander kombiniert werden, sodass in Zukunft auch komplexes Verhalten entwickelt werden kann. Durch die Fähigkeit der Speicherung bistabiler Elemente kann außerdem auch eine autonome Anpassung von Bauteilen stattfinden, ähnlich wie es heute nur in biologischen Systemen beobachtet werden kann.
Im Moment arbeiten wir mit interessierten Industriepartnern an Anwendungsdemonstratoren, um das Potenzial von ein-fachen Programmierbaren Materialien möglichst schnell in die industrielle Anwendung zu bringen. Dabei spielt auch die Herstellbarkeit aus Polymeren und metallischen Materialien und deren Hochskalierung eine wesentliche Rolle. Da sich schon viele Funktionen durch die innere Struktur einstellen lassen, ist es in bestimmten Fällen schon heute möglich, Programmierbare Materialien so herzustellen, dass ein Recycling und damit eine Nachnutzung möglich ist.