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Neue Werkstoffe für alle Fälle

Von der Duftprobe bis zum Autoreifen: "Intelligente Materialien" übernehmen wichtige Aufgaben in Medizin und Technik.

Von Rainer Scharf

Wer hat nicht schon an ihnen gerieben und geschnüffelt, an den auf Papier gedruckten Duftproben. Die Duftstoffe sind in mikroskopisch kleinen Kapseln enthalten, die beim Reiben zerbrechen. Derselbe Trick liegt auch dem Pauspapier zu Grunde. Auf der Unterseite dieses Papiers ist eine Schicht mit Mikrokapseln aufgetragen, die unter Druck zerplatzen und einen zunächst unsichtbaren Wirkstoff freisetzen. Auf dem darunter liegenden Blatt, das mit einem Entwickler beschichtet ist, erscheint dann der Durchschlag. Diese beiden Beispiele lassen nur in Umrissen erahnen, wie "intelligente Materialien" mit ihren ungewöhnlichen Eigenschaften unseren Alltag verändern werden.

Kleine Teilchen - grosse Wirkung

Das "elektronische Papier", das beispielsweise die Firma Xerox entwickelt hat, könnte unsere Lese- und Schreibgewohnheiten revolutionieren. Es besteht aus einer elektrisch verdrahteten Folie, in die winzige Kügelchen eingebettet sind. Sie enthalten winzige Farbpigmente, deren Position durch Anlegen einer elektrischen Spannung verändert werden kann. Um einen Buchstaben zu schreiben, genügt es daher, das elektrische Feld so einzustellen, dass schwarze Pigmente an die Folienoberfläche befördert werden (siehe Bild).

Welche Möglichkeiten sonst noch in solch winzigen Kügelchen stecken, untersucht man am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung in Golm bei Berlin. "Die mikrostrukturierten Kompositpartikel, wie wir die Kügelchen nennen, schützen die in ihnen verkapselten Stoffe vor äusseren Einflüssen wie UV-Strahlung, Säuren, Feuchtigkeit oder hoher Temperatur", erläutert die Ingenieurin Monika Jobmann. Ausserdem können die Wirkstoffe gezielter und über einen längeren Zeitraum abgegeben werden. Die Partikel können auf ganz unterschiedliche Weise hergestellt werden. Zunächst gewinnt man winzige Wirkstoffteilchen, zum Beispiel indem man den festen Wirkstoff äusserst fein vermahlt oder Lösungen des Wirkstoffes fein versprüht und die entstandenen Tröpfchen trocknet. Die Kapsel wird abschliessend hergestellt, indem die Wirkstoffteilchen in anderen Substanzen eingebettet werden.

Die Anwendungen für solche Kügelchen sind vielfältig. Mit einem Schmiermittel gefüllt, werden sie zum Beispiel als Notschmierung in die Oberfläche von Werkstücken integriert. Versagt die herkömmliche Schmierung eines so präparierten Maschinenteils und kommt es zum Materialabrieb, so wird automatisch das in den Kügelchen enthaltene Schmiermittel freigesetzt. Auch in der Medizin werden Mikrokapseln genutzt. Hier schützen sie Medikamentenwirkstoffe zum Beispiel vor der Magensäure und setzen sie gezielt dort frei, wo sie benötigt werden. Enthält die Kapsel zudem Magnetpartikel, so kann sie im Körper mit Hilfe eines aussen angelegten Magnetfelds zum Ziel dirigiert werden.

Ein Material, das fühlt und reagiert

Mikrokapseln sind nur ein Beispiel unter vielen für "intelligente Materialien". Andere intelligente Werkstoffe sind beispielsweise dadurch gekennzeichnet, dass sie automatisch auf Veränderungen in ihrer Umwelt reagieren. Dazu gehören auch die Piezofasern, die man am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung bei Würzburg herstellt. Sie bestehen aus dem keramischem Material Blei-Zirkonat-Titanat und sind nur wenige Hundertstelmillimeter dick. Legt man an eine solche Faser eine elektrische Spannung an, so verändert sie ihre Länge. Umgekehrt entsteht auch eine elektrische Spannung, wenn man die Faserlänge durch äussere Einflüsse verändert.

Der Chemiker Dieter Sporn und seine Kollegen haben Verbundwerkstoffe entwickelt, in die viele Lagen solcher Piezofasern eingearbeitet sind. Wenn sich der Werkstoff verformt und zu schwingen beginnt, so macht sich das durch eine elektrische Spannung bemerkbar. Eine an die Fasern angeschlossene Elektronik registriert diese Spannung und erzeugt eine entgegengesetzte Spannung, die den Schwingungen entgegenwirkt. Nach diesem Prinzip funktioniert ein für Volkswagen entwickeltes Dachblech, das trotz Leichtbauweise kaum schwingt. Vorteil: weniger Lärm im Innenraum. Solche Materialien könnten auch im Flugzeugbau eingesetzt werden. Eine mögliche Anwendung sind "intelligente" Rotorblätter für Hubschrauber, die ihre Form optimieren und Lärm erzeugende Schwingungen vermeiden.

Intelligente Materialien können auch Autoreifen "sensibel" machen. Eckhard Quandt und seine Kollegen vom Center of Advanced European Studies and Research in Bonn haben dünne Schichten aus amorphen Metallen entwickelt, die bei Verformung ihre magnetischen Eigenschaften ändern. Diese Änderung kann berührungslos mit Radiowellen gemessen werden. In Zusammenarbeit mit dem Reifenhersteller Goodyear will man solche Metallschichten in Autoreifen integrieren, um die Deformation des Reifens und damit auch die Kräfte zu messen, die auf ihn wirken. Daraus kann man den Reibungskoeffizienten zwischen Strasse und Reifen errechnen, erklärt Eckhard Quandt.

Die gewonnene Information könnte dann vom ABS und vom elektronischen Stabilisierungssystem des Autos ausgewertet werden. Dadurch würde sich die Fahrsicherheit beträchtlich erhöhen. Nebenbei können die Sensoren auch noch feststellen, ob im Reifen gefährlicher Über- oder Unterdruck herrscht, und eine Warnung an den Fahrer auslösen. Intelligente Materialien sind also nicht nur nützlich - sie können auch Leben schützen.

MIKROSKOPAUFNAHME MIT

Elektronisches Papier:

Das Farbpigment in der Kapsel kann elektrisch gesteuert werden, zum Beispiel an die Oberfläche einer Folie.
 

Vielseitige Keramik

In keramischen Werkstoffen stecken ungeahnte Möglichkeiten. Man verwendet sie als elektrische Sicherung für Kraftwerke ebenso wie als neuartigen, metallfreien Zahnersatz, erklärt Ludwig Gaukler von der ETH Zürich. In keramischen Hochtemperatursupraleitern fliesst der elektrische Strom widerstandslos. Doch wenn die Stromstärke zu hoch wird, bricht die Supraleitung zusammen, sodass der Strom begrenzt wird. ABB hat keramische Strombegrenzer getestet und will sie demnächst in Serie fertigen. In Brennstoffzellen, die chemische Energie in elektrische umwandeln, spielen hauchdünne poröse Keramikschichten aus Zirkonoxid die entscheidende Rolle. Durch sie gelangt der Sauerstoff zum Brennstoff. Dabei baut sich eine elektrische Spannung auf, die genutzt werden kann. Ludwig Gaukler und seine Mitarbeiter haben einer Anordnung von mikroskopisch dünnen Keramikstreifen sogar das Riechen beigebracht. Setzt sich Gas auf die Streifen, so verändern diese ihren elektrischen Widerstand je nach chemischer Zusammensetzung des jeweiligen Keramikstreifens. So lässt sich für jedes Gas ein charakteristischer "Fingerabdruck" erstellen. Mit der Firma Degussa Dental hat Gauckler weiter einen vollkeramischen Zahnersatz entwickelt. Die Prothese wird aus einem weichen Rohmaterial herausgefräst und anschliessend gebrannt. Der Vorteil: Sie enthält keine teuren Edelmetalle und verursacht keinerlei allergische Reaktionen.  

© Tages-Anzeiger; 2001-02-13; Seite 38

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