Neues Metamaterial verdreht sich unter Druck

Wirkt von oben Druck auf ein flexibles Material, dehnt es sich zur Seite aus. Doch mit speziellen Materialien lässt sich dieses übliche Verhalten verändern. In der Fachzeitschrift „Science“ berichten Forscher nun über ein solches Metamaterial, das sich aus mehreren Einzelelementen zusammensetzt und verdreht, wenn man es von oben zusammenpresst. Diese Umwandlung einer geradlinigen Bewegung in eine Rotation war bisher nur Maschinen vorbehalten. Interessant könnte das Material beispielsweise für die Entwicklung neuartiger Prothesen sein.

Simulation des Metamaterials

Zuerst simulierten Martin Wegener und seine Kollegen vom Karlsruher Institut für Technologie mit aufwendigen Berechnungen, wie die einzelnen Elemente des mechanischen Metamaterials aussehen müssten, um unter Druck eine kontrollierte Drehung vollziehen zu können. Die Simulationen ergaben eine hohle Würfelstruktur mit einem an mehreren Streben aufgehängten Ring an den Seitenwänden. Mit einem 3D-Drucker fertigten die Wissenschaftler dann aus Kunststoff filigrane Würfel mit Kantenlängen zwischen etwa 70 und 400 Mikrometern. Symmetrisch aufeinander gestapelt ergaben diese Würfel das gewünschte Metamaterial.

In mehreren Versuchen überprüfte das Team, ob die Prototypen ein chirales Verhalten – also eine reversible Torsionsverformung – unter Druck zeigten. Und tatsächlich verdrillten sich kleine Türme aus vier bis fünfhundert solcher Würfel, wie zuvor simuliert. Je nachdem wie die Forscher die Würfelmodule anordneten, drehte sich der Turm bei senkrecht einwirkendem Druck nach links oder rechts. Wenige größere Würfel ermöglichten eine Drehung um zwei Grad bei einer Kompression des Metamaterials um ein Prozent. Bei Hunderten kleineren Würfeln verringerte sich die Drehung etwa um die Hälfte. Ohne Druck nahmen alle Prototypen wieder ihre ursprüngliche Form an.

„Mit diesen künstlichen 3D-gedruckten Materialien gehen nun plötzlich Dinge in der Mechanik, die in der Optik längst gang und gäbe sind“, sagt Wegener mit einem Verweis auf gedrehte Polarisationsebenen von Licht, wenn es etwa durch eine transparente Zuckerlösung scheint. Solche mechanischen Metamaterialen könnten in Zukunft etwa für spezielle Stoßdämpfer oder stabilere Prothesen genutzt werden.