Metamaterialien sind künstlich hergestellte Strukturen, die Eigenschaften aufweisen, die in der Natur nicht vorkommen. Nun haben Forscher der University of Massachusetts Amherst ein Material hergestellt, das nicht nur enorm große Mengen an Energie aufnehmen und freisetzen kann, diese Eigenschaften sollen sich zudem auch noch präzise steuern lassen.
Bei dem neuen Metamaterial sind winzige Magnete in eine gummiartige Substanz eingebettet, weshalb die Forscher rund um Alfred Crosby, Professor für Polymerwissenschaft, von einer elasto-magnetischen Struktur sprechen. Die Energieaufnahme bzw. -abgabe des Materials wird durch die Energie, welche bei den Phasenübergängen des Stoffs freigesetzt respektive benötigt wird, verstärkt. Als Phasenübergang wird der Wechsel von einem Aggregatzustand in den anderen, also beispielsweise von fest nach flüssig aber auch zwischen unterschiedlichen festen Zuständen, bezeichnet.
Programmierung des Metamaterials auf bestimmte Reaktionen
Dem Forscherteam ist es nun gelungen, die betreffenden Energien gezielt zu nutzen. »Um die Energiefreisetzung oder -aufnahme zu verstärken, muss man eine neue Struktur auf molekularer oder sogar atomarer Ebene schaffen«, sagt Crosby. »Das ist jedoch eine Herausforderung und noch schwieriger ist es, dies auf vorhersehbare Weise zu tun. Durch den Einsatz von Metamaterialien haben wir diese Herausforderungen gemeistert und nicht nur neue Materialien hergestellt, sondern auch die Designalgorithmen entwickelt, mit denen diese Materialien mit bestimmten Reaktionen programmiert werden können, so dass sie vorhersehbar sind«, so der Wissenschaftler.
Kontrollierbar sind die Phasenübergänge des Metamaterials durch die eingebetteten winzigen Magnete. Damit werden die Übergänge vorhersehbar und wiederholbar, was es den Forschern erlaubt, das Material dem intendierten Einsatzzweck entsprechend zu gestalten: Dass es entweder die Energie eines starken Aufpralls absorbiert oder große Mengen an Energie für explosive Bewegungen freisetzt.
Breites Spektrum möglicher Anwendungen
Die Wissenschaftler sind optimistisch, dass ihr Metamaterial künftig in vielen Anwendungsbereichen genutzt werden kann. So könnte es Robotern zu mehr Leistung verhelfen, ohne zusätzliche Energie zu verbrauchen, es könnte aber auch in neuartigen Helmen oder Protektoren eingesetzt werden, die Energie viel schneller als bisherige Werkstoffe abbauen können.
Wie weit es noch bis zur Einsatzfähigkeit im großtechnischen Bereich ist, wurde noch nicht kommuniziert.
Bild © UMass Amherst. Das elastische Material mit eingebetteten Magneten, deren Pole farblich rot und blau markiert sind. Die Ausrichtung der Magnete in verschiedene Richtungen verändert die Reaktion des Metamaterials.