Intelligenter Schaum

Forscher haben eine leichtere und potenziell billigere Art von Formgedächtnislegierung hergestellt: Materialien, die ihre Form als Reaktion auf ein Magnetfeld ändern, sich aber an ihre ursprüngliche Form erinnern. Das neue Material, ein poröser Schaum aus einer Nickel-Mangan-Gallium-Legierung, dehnt sich bei Einwirkung eines Magnetfeldes leicht aus. Es behält seine neue Form, wenn das Feld ausgeschaltet wird, aber es kehrt in seine ursprüngliche Form zurück, wenn das Feld um 90 Grad gedreht wird.

Gedächtnisschaum: Ein Schaum aus Nickel-Mangan-Gallium hat die Formgedächtniseigenschaften der Legierung, ist aber leichter und billiger herzustellen als andere Formen des Materials.

Die meisten Formgedächtnislegierungen werden durch Temperaturänderungen angetrieben. Magnetisch angetriebene Legierungen reagieren jedoch schneller als solche, die auf Temperatur reagieren. Ein weiterer wichtiger Vorteil von Materialien, die unter einem Magnetfeld ihre Form ändern, ist, dass sie aus der Ferne aktiviert werden können, sagt Robert O'Handley , ein Forscher für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften am MIT. Da magnetische Formgedächtnismaterialien aus der Ferne verändert werden können, seien sie für biomedizinische Anwendungen besonders vielversprechend. Man könnte einen Stent herstellen, bei dem man von außerhalb des Körpers ein Magnetfeld anlegt und nach und nach eine Arterie öffnet, sagt er.



Aber magnetische Formgedächtnislegierungen waren schwierig und teuer herzustellen. Die neue Legierung könnte billiger und einfacher zu synthetisieren sein.

Und es könnte bei Geräten nützlich sein, die eine sehr genaue, wiederholbare und schnelle Positionierung benötigen, sagt David Dunand , Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der Northwestern University. Dunand leitete die Arbeit an der neuen Legierung mit Peter Müller , außerordentlicher Professor an der Boise State University. Zu diesen Geräten gehören Mikroskope, winzige Spiegel, die in der optischen Kommunikation verwendet werden, und Roboter, die in der Medizin verwendet werden. Da der Schaumstoff leicht ist, könnte er zu Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt führen, wie beispielsweise Flugzeugflügeln, die sich aerodynamischer verändern.

Die Legierung, die Dunand und seine Kollegen verwendeten, ist nicht neu. Einkristalle aus Nickel-Mangan-Gallium dehnen sich bekanntlich um 10 Prozent, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Aber Einkristalle, in denen alle Atome in einem regelmäßigen, sich wiederholenden Muster gepackt sind, sind teuer und zeitaufwendig in der Herstellung.

Normalerweise besteht das Problem darin, dass bei polykristallinen Metallen die einzelnen Kristalle zufällige Orientierungen haben. In Anwesenheit eines Magnetfelds dehnen sie sich in verschiedene Richtungen aus, stoßen gegeneinander und heben sich gegenseitig auf, sagt Dunand. Der Traum ist es, einen Polykristall zu machen, aber den einzelnen Kristallen irgendwie Raum zu geben, damit sie sich bewegen können und sich nicht gegenseitig aufheben. Genau dies geschieht im Schaum aufgrund der Poren. Die winzigen Kristalle in der Legierung bekommen Platz, um sich zu dehnen, und der Schaum ändert seine Form. Die Veränderung ist im Moment winzig – nur 0,12 Prozent –, aber es ist ein Anfang, sagt Dunand.

Die Herstellung des Schaums ist billig und einfach. Die Forscher gießen eine geschmolzene Legierung in ein poröses Stück Natriumaluminatsalz. Nach dem Abkühlen der Legierung lösen die Forscher das Salz mit Säure auf und hinterlassen eine schwammartige Struktur der Legierung. Der Schaum ist ein recht vielversprechender Herstellungsweg – deutlich effizienter als das Wachstum von Einkristallen, sagt Sebastian Fahler , der am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden Formgedächtnislegierungen studiert. Für praktische Anwendungen muss die Formänderung jedoch deutlich über 0,12 Prozent liegen, sagt er.

Dunand und seine Kollegen haben einen Plan, um die Formänderung des Schaums zu verstärken. Wie ein Schwamm habe der Schaumstoff an Knotenpunkten verbundene Streben, erklärt er. Jede Strebe enthält derzeit mehrere winzige Kristalle. Diese Kristalle heben sich ihre Bewegungen immer noch teilweise auf, weshalb die Gesamtveränderung des Schaums nur 0,12 Prozent beträgt.

Um eine größere Formänderung zu erreichen, sagt Dunand, besteht der Trick darin, dass sich jede Strebe wie ein Einkristall verhält, sodass der Schaum insgesamt eher wie ein Einkristall ist. Das heißt, die Forscher müssten jede der Streben im Schaumstoff mit einzelnen Kristallen überspannen.

Das Material wird weiterhin konkurrieren. Zur Herstellung von Stents werden bereits Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen verwendet, die sich für den Einsatz im Körperinneren eignen und durch die Temperatur angetrieben werden.

Bei Mikropositionierungsanwendungen, sagt O’Handley, muss das Material mit piezoelektrischen Materialien wie Quarz und Bleititanat konkurrieren, die sich als Reaktion auf elektrischen Strom verformen. Aber weil der Prozess zur Herstellung des Schaums einfach und billig ist, bringt er Nickel-Mangan-Gallium näher an die Kostenkonkurrenz mit piezoelektrischen Materialien, sagt er.

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