Form

Elektronik, die sich biegen, dehnen und selbst reparieren kann, könnte möglicherweise in Anwendungen funktionieren, die von härteren Robotern bis hin zu intelligenter Kleidung reichen

Formverändernde Maschinen sind seit langem ein fester Bestandteil der Science-Fiction – und das aus gutem Grund. Denken Sie an die Macht der schurkischen Tötungsmaschine im Film Terminator 2: Judgement Day aus dem Jahr 1991. Als der T-1000 aus flüssigem Metall eintrifft, erkennen die Helden schnell, dass sie zwei große Probleme haben: Erstens kann sich ihr Feind verwandeln und menschlich aussehende Gliedmaßen in tödliche Klingen verwandeln. Zweitens verlangsamt das Blasen von Löchern in der Maschine sie kaum; es kann sich selbst heilen!

Selbstheilende Maschinen sind bereits unter uns. Natürlich stimmt die Realität nicht ganz mit der des T-1000 überein, aber Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die beiden Fähigkeiten der fiktiven Maschine eng miteinander verbunden sind. „Die grundlegende Wissenschaft, die zur Entstehung selbstheilender Materialien führt, ist das gleiche Verhalten, das es ihnen ermöglicht, ihre Form zu ändern“, sagt Zhenan Bao, Chemieingenieur an der Stanford University. Und in den letzten Monaten haben Wissenschaftler eine neue Vielfalt an Materialien entwickelt, die – neben anderen Fähigkeiten – die Fähigkeit besitzen, zu heilen und ihre Form zu verändern. Die Forscher haben diese Substanzen verwendet, um neue Arten von Elektronik zu konstruieren, die in der Robotik, bioelektronischen Schnittstellen, tragbaren Geräten und fortschrittlichen Displays Anwendung finden. Diese Maschinen könnten auch umweltfreundlicher sein als solche aus herkömmlichen Materialien wie Silizium und Metall.

Die Wissenschaft der selbstheilenden Materialien reicht fast zwei Jahrhunderte zurück, erlebte jedoch in den 1970er Jahren einen wahren Aufschwung. Damals begannen Forscher, das Selbstheilungspotenzial von Polymeren zu untersuchen – großen Molekülen, die aus sich wiederholenden Teilen bestehen, so wie eine Kette aus Gliedern besteht. Die Zusammensetzung der Hauptpolymerkette oder des „Rückgrats“ eines Moleküls bestimmt eine Reihe von Eigenschaften, einschließlich der Zähigkeit oder Elastizität des Moleküls. Einige heilbare Polymere benötigen einen Auslöser, etwa die Einwirkung einer bestimmten Temperatur, eines bestimmten Lichts oder eines bestimmten Drucks, um ihre gebrochenen Bindungen neu zu verbinden. Andere heilen spontan. Diese „dynamischen“ Polymere nutzen schwächere Molekülbindungen als die meisten stabilen Moleküle. Beispielsweise werden viele dynamische Materialien durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten, bei denen positiv geladene Wasserstoffatome andere, negativ geladene Atome anziehen. „Das Schöne an Wasserstoffbrückenbindungen ist, dass sie spontan sind“, sagt Carmel Majidi, Maschinenbauingenieurin an der Carnegie Mellon University. „Man muss die Materialien nicht schmelzen oder erhitzen; Sie bilden diese Bindungen einfach bei Kontakt.“

Schwache Bindungen verleihen solchen Materialien interessante Eigenschaften. „Es sieht aus wie ein Feststoff. Und wenn man es sehr schnell dehnt, bricht es wie ein Vollmaterial. Aber wenn man es hält, tropft es wie eine Flüssigkeit“, sagt Bao. „Die Moleküle sind nicht ortsfest, daher bilden und dissoziieren diese Polymernetzwerke kontinuierlich.“ Diese Promiskuität ermöglicht die Selbstheilung. „Wenn wir das Material beschädigen, brechen die Bindungen. Aber wenn man die Teile zusammenfügt, bilden sich diese Wasserstoffbrücken sehr leicht und das Material erhält seine mechanischen Eigenschaften zurück“, sagt Bao.

Das gleiche Prinzip liegt der dehnbaren Elektronik zugrunde. „Diese dynamischen Bindungen ermöglichen es uns, das Material auf das Hundertfache seiner ursprünglichen Größe zu dehnen, da die Bindungen brechen und sich neu formieren können“, sagt Bao. Durch die Verwendung mehrerer Bindungsarten mit unterschiedlichen Stärken entstehen Materialien, die sowohl biegsam als auch robust sind.

Allerdings benötigen Materialien für den Einsatz in der Elektronik andere Eigenschaften. Erstens müssen sie gute Dirigenten sein. Die meisten Polymere sind jedoch Isolatoren. Eine Lösung besteht darin, einem Polymer Metallpartikel, Nanodrähte oder Kohlenstoffnanoröhren hinzuzufügen, um das dehnbare Material leitfähig zu machen. Bao und ihre Kollegen haben solche Ansätze genutzt, um selbstheilende „elektronische Häute“ zu konstruieren, die sich dem Körper anpassen und in der Lage sind, Druck und Belastung zu spüren und die Herzfrequenz zu messen.

Eine andere Lösung sind flüssige Metalle. In einer Anfang des Jahres veröffentlichten Studie führten Majidi und seine Kollegen Mikrotröpfchen aus einer flüssigen Legierung in ein mit Silberflocken übersätes Polymergel ein. Das resultierende Material war dehnbar, selbstheilend und leitfähig genug, um den Motor eines Softroboters anzutreiben. „Das ultimative Ziel besteht darin, elektronische und robotische Systeme zu bauen, die alle Eigenschaften biologischer Gewebe umfassen“, sagt Majidi, „nicht nur im Hinblick auf die Funktionalität, sondern auch auf Widerstandsfähigkeit und Selbstheilung.“

Diese adaptiven Materialien sind einfache Leiter. Forscher entwickeln auch ähnlich dehnbare Materialien mit anderen elektronischen Eigenschaften. Dazu gehören Halbleiter, deren Leitfähigkeit mit der Temperatur zunimmt, sowie Dielektrika, bei denen es sich um Isolatoren handelt, die in elektrischen Feldern ihre Ladungseigenschaften ändern oder „polarisieren“. Forscher haben diese verschiedenen Materialien erfolgreich kombiniert, um heilbare Transistoren, Kondensatoren und andere elektronische Komponenten herzustellen. „Es gibt alle möglichen Materialfunktionen, die in der Soft-Robotik oder tragbaren Elektronik nützlich sein könnten“, sagt Majidi. „Wir arbeiten mit Thermoelektrik, um Wärme in Elektrizität umzuwandeln. Daher wäre es großartig, ein thermoelektrisches Kleidungsstück zu haben, das seine Energiegewinnungsfähigkeiten wiederherstellen könnte, wenn es beschädigt wird.“ Das Finden solcher realer Anwendungen ist Majidis aktueller Schwerpunkt. „Nachdem wir viele Engpässe überwunden haben, ist das der nächste große Schritt“, sagt er.

Benjamin Tee, Ingenieur an der National University of Singapore, glaubt, dass selbstheilende Elektronik ein Segen für die Umwelt sein wird. „Selbstreparatur hat viele Auswirkungen auf die Reduzierung von Elektroschrott“, sagt er. „Gibt es eine Zukunft, in der sich Ihr Telefon selbst reparieren kann, wenn Sie es fallen lassen?“ In einer 2020 veröffentlichten Studie entwickelten Tee und seine Kollegen ein dehnbares, transparentes dielektrisches Material für den Einsatz in lichtemittierenden Kondensatoren. Sie nutzten dieses Material, um ein Gerät zu konstruieren, das eine helle Beleuchtung mit viel weniger Strom erzeugen kann, als dies bei der bisherigen dehnbaren Optoelektronik erforderlich war. Dadurch war es langlebiger und sicherer für den Einsatz in Mensch-Maschine-Schnittstellen. Außerdem heilte es sich nach einer Beschädigung selbst. „Es kann nahezu 100 Prozent seiner ursprünglichen Helligkeit wiederherstellen“, sagt Tee. Das Team demonstrierte das Gerät in einem weichen Robotergreifer, der Objekte in der Dunkelheit erkennt, indem er reflektiertes Licht erkennt. Weitere potenzielle Anwendungen umfassen nahezu unverwundbare flexible Bildschirme, tragbare Geräte und mehr.

Mit der Zeit werden weitere Komponenten über Selbstheilungskräfte verfügen. „Der heilige Gral ist ein komplettes elektronisches System, das sich selbst reparieren kann“, sagt Tee. Diese Vision kommt dem T-1000 näher, ein großes Hindernis besteht jedoch darin, dass komplexe Elektronik mehrere Schichten erfordert. Wenn solche Geräte beschädigt werden, richten sich die Schichten häufig nicht mehr aus, was zu Fehlfunktionen der Schaltkreise führt.

In einer im Frühjahr veröffentlichten Studie stellten Bao und ihre Kollegen eine mögliche Lösung für dieses Problem vor. Sie verwendeten zwei verschiedene Polymere, deren Grundgerüste sich nicht vermischen, die aber auch über identische Wasserstoffbrückenbindungen verfügen, die es den Schichten ermöglichen, aneinander zu haften. „Sie mischen sich nicht gern, so wie Öl und Wasser“, sagt Bao. „Aber wir haben auf jeder Seite Moleküle, die es ihnen ermöglichen, an der Grenzfläche zusammenzuhalten.“ Die Forscher stapelten 11 abwechselnde Schichten und schufen so einen Film mit einer Dicke von 70 Mikrometern (etwas mehr als die Hälfte der Dicke eines Dollarscheins). Um seine Fähigkeiten zu testen, schnitten sie den Film in zwei Hälften, wodurch die Schichten falsch ausgerichtet wurden. Anschließend erhitzten sie das Material auf 70 Grad Celsius und die Schichten richteten sich von selbst neu aus.

Das Team demonstrierte die Technik anhand eines sich selbst neu ausrichtenden Drucksensors und eines Softroboters, dessen Komponenten grob magnetisch zusammengebaut und dann durch Erhitzen mikroskopisch ausgerichtet wurden. Die Forscher haben es noch nicht in komplexer Elektronik demonstriert – aber die Studie bringt diese Anwendung näher. Die Teammitglieder arbeiten bereits an unterschiedlichen Funktionsmaterialien, dünneren Schichten und komplexeren Schichtstrukturen, sagt Bao.

Wie so oft wird Science-Fiction langsam zur Realität. Aber hoffentlich werden die formverändernden, selbstheilenden Maschinen von morgen weniger aggressiv sein als der T-1000.

Simon Makin ist ein freiberuflicher Wissenschaftsjournalist mit Sitz in Großbritannien. Seine Arbeiten wurden unter anderem in New Scientist, The Economist, Scientific American und Nature veröffentlicht. Er deckt die Lebenswissenschaften ab und ist auf Neurowissenschaften, Psychologie und psychische Gesundheit spezialisiert. Folgen Sie Makin auf Twitter @SimonMakin. Bildnachweis: Nick Higgins

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