de.wedoany.com-Bericht: Forscher der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in der Schweiz haben einen 3D-druckbaren Elastomer entwickelt, der sowohl eine hohe Bruchfestigkeit als auch eine hohe Ermüdungsbeständigkeit aufweist. Damit lösen sie einen entscheidenden Zielkonflikt, der bisher den Einsatz weicher Materialien in Robotik, tragbarer Elektronik und biomedizinischen Geräten einschränkte.
Die von der Soft Materials Laboratory geleitete Studie wurde in Science Advances veröffentlicht. Die Ergebnisse zeigen, dass die leistungsfähigste Version – sogenannte Doppelnetzwerk-Granulat-Elastomere (double network granular elastomers, DNGEs) – eine 15-fach höhere Bruchzähigkeit und eine 3-fach höhere Ermüdungsbeständigkeit aufweist als herkömmliche Einzelnetzwerk- und Bulk-Doppelnetzwerk-Elastomere mit identischer chemischer Zusammensetzung.
Die Struktur der DNGEs besteht aus steifen Elastomerpartikeln, die durch ein weicheres zweites Polymernetzwerk verbunden sind. Die Forscher entwickelten diese Struktur ursprünglich, um das Material als 3D-Drucktinte extrudieren zu können und dabei fein kontrollierbare mechanische Eigenschaften zu erzielen.
Das Team um die korrespondierende Autorin Esther Amstad entdeckte, dass diese Architektur es dem Material zudem ermöglicht, wiederholt mechanische Energie abzuleiten, ohne dauerhafte Schäden anzuhäufen. Die Studie weist darauf hin, dass diese Kombination äußerst selten ist: Normalerweise verschlechtern sich bruchfeste Elastomere unter wiederholter Belastung, während ermüdungsbeständige Elastomere bei übermäßiger Dehnung leicht reißen.
Amstad, Leiterin des Soft Materials Laboratory an der EPFL, erklärte, dass der ursprüngliche Fokus auf der Verbesserung der Verarbeitbarkeit lag. Sobald jedoch die Granulatstruktur gebildet war, stellte man fest, dass diese Materialien auch sehr zäh sind. Sie erläuterte, dass diese Zähigkeit weitgehend auf einem wiederholten Energiedissipationsmechanismus beruht: Das Material kann wiederholt Energie absorbieren, ohne irreversibel zu brechen.
Beim Dehnen übertragen DNGEs die mechanische Spannung von den härteren Partikeln auf die weicheren Zwischenräume zwischen ihnen, wo Polymerketten gleiten und sich neu anordnen können, um Energie abzuleiten, anstatt irreversibel zu brechen. Amstad erklärte, dass im Wesentlichen zwei verschiedene Netzwerke – eines aus Partikel-Elastomer und eines aus weichem Elastomer – die mechanische Spannung untereinander aufteilen, wodurch das gesamte Material stärker wird. Die Studie weist zudem darauf hin, dass die Granulatstruktur Risse dazu zwingt, entlang gewundener statt gerader Pfade durch die weicheren Zwischenräume zu wachsen, was ihr Wachstum verlangsamt und das Versagen verzögert.
Die Forscher nutzten die Druckbarkeit des Materials, um durch 3D-Druck Verbundwerkstoffe mit lokalen Zusammensetzungsvariationen herzustellen, darunter faserverstärkte Strukturen und von Muschelbyssus-Fasern inspirierte Kern-Mantel-Designs, die Steifigkeit mit der Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit vereinen, die normalerweise nur in weicheren Formulierungen zu finden sind. Diese Tinten wurden mit handelsüblichen 3D-Druckern extrudiert.
Das Team arbeitet derzeit daran, Elastomere aus biologisch abbaubaren und recycelten Materialien zu formulieren. Amstad erklärte, dass das Ziel darin besteht, nachhaltigere Materialien zu verwenden, ohne die mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Durch die Erweiterung des Spektrums verwendbarer Materialien könne nicht nur der ökologische Fußabdruck von DNGEs verringert, sondern sie auch für jedes Labor mit einem handelsüblichen 3D-Drucker leichter zugänglich gemacht werden.
