Ein Forschungsteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat ein neues 3D-Druckverfahren vorgestellt, das synthetische Metamaterialien erzeugt, die sowohl hohe Festigkeit als auch außergewöhnliche Dehnbarkeit aufweisen. Das berichtet das MIT auf seiner Website.
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Metamaterialien – einfach erklärt:
Metamaterialien sind künstlich hergestellte Materialien, die durch eine spezielle, meist sehr kleine innere Struktur ganz besondere Eigenschaften bekommen – Eigenschaften, die natürliche Materialien so nicht haben.
Ein Beispiel: Ein normales Stück Plastik ist starr und bricht schnell. Wenn man es aber in winzige Muster mit Spiralen oder Gittern druckt (wie beim MIT-Projekt), kann es plötzlich flexibel und gleichzeitig stabil sein.
Die besonderen Eigenschaften kommen also nicht vom Material selbst, sondern davon, wie es im Inneren aufgebaut ist. Daher auch der Name „Meta“-Material – „Meta“ bedeutet so viel wie „darüber hinaus“.
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Kombination aus starren Streben und weicher Gewebe-Struktur
Die Innovation basiert auf einer sogenannten „Doppelnetzwerk“-Architektur, bei der zwei unterschiedliche mikroskopische Strukturen kombiniert werden: ein starres Gitter aus Streben und eine weichere, gewobene Schicht, die sich um das Gitter windet. Gedruckt wird das Material aus einem plexiglasähnlichen Polymer mittels Zwei-Photonen-Lithografie, einem hochpräzisen Laserdruckverfahren auf Mikroebene.
Im Vergleich zu konventionellen Metamaterialien konnte das neue Design auf das Dreifache seiner Länge gedehnt werden, ohne zu reißen. Das ist das Zehnfache der Dehnbarkeit vergleichbarer Strukturen mit herkömmlichen Gittermustern.
Anwendungspotenziale für Elektronik, Textilien und Biomedizin
Die Forschenden sehen vielfältige Anwendungsgebiete für diese neuen Metamaterialien. So könnten in Zukunft dehnbare Varianten von Keramik, Glas und Metall entstehen – mit potenziellen Einsätzen in reißfesten Textilien, flexibler Elektronik und stabilen Gerüststrukturen für die Geweberegeneration. Besonders bemerkenswert ist, dass die Materialeigenschaften auch durch gezielte „Defekte“ verbessert werden konnten: Durch die Einführung strategischer Löcher verdoppelte sich die Dehnfähigkeit des Materials, während die aufgenommene Energie sogar verdreifacht wurde.
Carlos Portela, Assistenzprofessor am MIT, erklärt:
„Wir öffnen mit dieser Methode ein neues Kapitel für Metamaterialien. Es wäre möglich, Metall- oder Keramikversionen zu drucken, die sowohl widerstandsfähiger als auch elastischer sind.“
Langfristig strebt das Team an, das Designprinzip auch auf multifunktionale Materialien auszudehnen – etwa durch den Einsatz temperaturreaktiver Polymere. So könnte ein Stoff bei Wärme porös werden und bei Kälte seine Festigkeit zurückgewinnen.
Die Forschungsergebnisse wurden im Fachjournal Nature Materials veröffentlicht und teilweise durch die US-amerikanische National Science Foundation sowie den MIT MechE MathWorks Seed Fund gefördert.