Plastik verändert Form auf Knopfdruck

Mit einem elektrischen Stromfluss lassen sich piezoelektrische Keramiken wahlweise dehnen oder stauchen. Genau diesen Effekt erzielten amerikanische Forscher nun auch mit einem Kunststoff. Erstmals reichten sogar geringe Spannungen aus, um einen hauchdünnen Polymerfaden um knapp drei Prozent zu verlängern, berichten die Forscher im Fachblatt Advanced Functional Materials Vol. 14, S. 501. Ohne Spannungsfluss schrumpfte er wieder zusammen. Solche flexiblen und bruchstabilen Materialien könnten in Zukunft für medizinische Anwendungen von beweglichen Implantaten bis zu Insulinpumpen ideal genutzt werden.
"In traditionell genutzten Polymeren ist die dielektrische Konstante mit Werten unter 10 relativ klein im Vergleich zu anorganischen Verbindungen", erklären Cheng Huang und Qiming Zhang von der Pennsylvania State University das Schlüsselproblem solcher piezoelektrischen Kunststoffe. Denn eine elektromechanische Reaktion eines Materials in einem Spannungsfeld hängt aufgrund der möglichen elastischen Energiedichte direkt von der Größe der dielektrischen Konstanten ab.

Durch die geschickte Mischung leitender Polymerpartikel aus einem Polyanilin (PANI) in eine Kunststoffmatrix konnten die beiden Forscher jedoch erstaunliche Werte von über 7.000 erreichen. Bei einem Spannungsfeld von lediglich 16 Megavolt pro Meter beobachten sie eine Dehnung um 2,65 Prozent. Andere Piezokunststoffe benötigen noch eine rund zehnmal höhere Spannung. Ein zehn Millimeter langes Modul könnte sich entsprechend um 26,5 Mikrometer ausdehnen. Ohne dieses Feld schrumpfte es wieder auf seine Ursprungslänge zusammen.

Zugleich behält dieses Mischpolymer die elastischen Eigenschaften der umgebenden Matrix aus isolierendem Kunststoff. Zwölf Volumenprozent an PANI in dem Trägerkunststoff zeigten in den Messungen der Wissenschaftler ein relativ großes Elastizitätsmodul von 470 Megapascal. Für die Herstellung dieses Mischpolymers, das laut Aussagen der Forscher eine neue Klasse an so genannten Percolation- (engl. Durchsickern) Kompositen begründet, werden winzige, knapp einen Mikrometer große PANI-Partikel in eine Lösung des Trägerkunststoffes in Dimethylformamid verteilt. Mit dem Einsatz von Ultraschall sorgen die Forscher für eine homogene Mischung.

Auf eine Glasplatte gestrichen, trocknete das Polymer-Komposit und bildete rund 50 Mikrometer dicke Schichten. Über zwei Goldelektroden konnten die Forscher variable Spannungsfelder aufbauen. Die longitudinale Ausdehnung verhielt sich dabei proportional zur angelegten Spannung und konnte mit einem empfindlichen Hebelsensor gemessen werden.

Brüche wie bei einer starken mechanischen Beanspruchung von spröden Piezokeramiken müssen mit dieser Substanz nicht gefürchtet werden. Mit höheren Anteilen des Leitungs-Polymers PANI verstärkt sich zwar die mögliche Materialdehnung geringfügig, doch zugleich büßt das Modul Elastizität ein. Ausgehend von diesem Ergebnis können für medizinische Anwendungen weitere Komposite entwickelt werden, die bioverträglich wären und somit vom Immunsystem eines Organismusses nicht mehr bekämpft würden.
Jan Oliver Löfken


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