Von fest zu flüssig Fließen wie ein Terminator

Ein Material, das sich wie von Geisterhand verfestigt und verflüssigt, war bisher nur als Grundstoff finsterer "Terminatoren" in Hollywood-Filmen bekannt. Chinesische Forscher aber haben jetzt tatsächlich einen Stoff mit derartigen Fähigkeiten entwickelt.

Von Hans-Arthur Marsiske


Arnold Schwarzen- egger: Als "Terminator" Gegenspieler eines flüssig-festen Roboters
Columbia Tristar

Arnold Schwarzen- egger: Als "Terminator" Gegenspieler eines flüssig-festen Roboters

Es kommt eben meistens anders, als es sich selbst die begabtesten Science-Fiction-Autoren vorstellen: In "Terminator 2" ist Arnold Schwarzeneggers Gegenspieler ein hoch entwickelter Roboter, der seine Gestalt beliebig verändern und sogar vollständig mit der Umgebung verschmelzen kann. Chinesische Forscher haben jetzt ein Material entwickelt, das ebenfalls beliebig verfestigt und verflüssigt werden kann. Anders als in dem Hollywood-Streifen, der einen maschinellen Bösewicht aus flüssigem Metall zeigt, setzt das Forscherteam um Ping Sheng von der Hongkong University of Science and Technology auf die Nanotechnologie.

In der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Nature Materials" berichten die Wissenschaftler von ihren Experimenten mit so genannten elektrorheologischen Flüssigkeiten, deren Zähigkeit und Fließeigenschaften durch das Anlegen eines elektrischen Feldes beeinflusst werden können. Dieser Effekt wird schon seit längerem intensiv untersucht.

Flüssigstoff wird hart wie Plastik

Die Chinesen konnten ihn allerdings in einem bislang nie erreichten Ausmaß erzeugen: Eine Mixtur aus in Silikonöl aufgeschwemmten Nanoteilchen erreichte je nach Stärke des elektrischen Feldes eine Festigkeit von bis zu 130 Kilopascal, was in etwa der Härte des Kunststoffs Polyurethan (PU) entspricht. Bislang lag die mit elektrorheologischen Flüssigkeiten erreichbare Härte lediglich bei etwa fünf bis zehn Kilopascal, entsprechend der Konsistenz von Tofu. Dieser Wert galt zugleich als das theoretisch erreichbare Maximum.

Den deutlich stärker härtenden Effekt erreichen die Chinesen dadurch, dass sich die 50 bis 70 Nanometer (Millionstel Millimeter) großen Teilchen entlang der Kraftlinien des elektrischen Feldes ausrichten. Dabei bilden sie kettenartige Verbindungen, die nur schwer zu durchtrennen sind. Sheng und seine Kollegen erzielten die Rekordwerte mit Partikeln aus Bariumtitaniloxalat, die von einer drei bis zehn Nanometer dicken Hülle aus Harnstoff umgeben waren.

Mögliche Anwendungen in der Autoindustrie

Offenbar ist diese Hülle entscheidend für den Effekt, denn ohne sie lag die maximal erreichbare Festigkeit um etwa eine Größenordnung niedriger. Bemerkenswert ist auch die nahezu lineare Abhängigkeit der Festigkeit von der Stärke des angelegten elektrischen Feldes. Die Forscher vermuten einen Sättigungseffekt bei der Polarisierung der Oberflächen der einzelnen Teilchen, der die eigentlich erwartete quadratische Zunahme der Festigkeit verhindert.

Unabhängig von der theoretischen Erklärung eröffnen die Experimente ganz neue Anwendungsmöglichkeiten für elektrorheologische Flüssigkeiten. Futuristische Roboter, die sich geschmeidig den unterschiedlichsten Umgebungen anpassen, werden zwar weiterhin auf sich warten lassen. Die Automobilindustrie aber dürfte sich schon heute für den elektrisch gesteuerten Wechsel des Aggregatzustands von flüssig zu fest und wieder zurück interessieren. Sheng und seine Kollegen schlagen in ihrer Studie bereits "aktiv steuerbare Kupplungen, Stoßdämpfer, Ventile und Schlösser" vor.



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