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Muskeln aus Gelee

Mini-Roboter könnten in Zukunft von chemischen Muskeln aus einem pulsierenden Gel angetrieben werden, das sich bei Kontakt mit einer Flüssigkeit regelmäßig ausdehnt und zusammenzieht. Möglich machen soll dies eine genaue Beschreibung des Verhaltens solcher Gele, die die amerikanischen Forscher Victor Yashin und Anna Balazs auf der Basis eines theoretischen Modells entwickelt haben. Damit kann sehr viel genauer als bisher vorhergesagt werden, wie sich das Material während des Pulsierens verformt und wo es eingesetzt werden kann.

Bei den so genannten Belousov-Zhabotinsky-Gelen handelt es sich um Verbindungen aus langen Molekülketten, in die ein Katalysator aus Ruthenium, einem platinartigen Metall, eingebettet ist. Kommt ein solches Material mit einer bestimmten stickstoffhaltigen Flüssigkeit in Kontakt, beginnt eine zyklische Reaktion: Das Metall nimmt Elektronen aus der Flüssigkeit auf und verändert dabei die Länge der Molekülkette. Das führt wiederum dazu, dass der Katalysator die Elektronen wieder abgibt, die Kette in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt und der Prozess erneut startet. Diese regelmäßigen Längenveränderungen verursachen das sichtbare Pulsieren des Gels. „Eine kleines Stück eines solchen Gels schlägt von ganz alleine, wie ein kleines Herz in einer Petrischale“, beschreibt Balazs das Prinzip. Diese Bewegung hält so lange an, bis der Treibstoff in der Flüssigkeit verbraucht ist und lässt sich durch erneute Zugabe des Reagenzes wieder neu starten.

Obwohl diese Gele schon seit 1996 bekannt sind, konnte ihr Verhalten bisher nur schlecht berechnet werden. Die verwendeten Modelle ermöglichten lediglich, die Änderung des Volumens während des Zusammenziehens vorherzusagen. Um zusätzlich berechnen zu können, wie sich die Form des Gels beim Pulsieren verändert, entwickelten Balazs und Yashin nun ein neues Computermodell: Es betrachtet das Gel als ein Gitter aus winzigen Federn, die an ganz bestimmten Punkten miteinander verbunden sind. Für die Simulation der Bewegungen verwendet es die Energien, die bei den chemischen Reaktionen im Gel freigesetzt oder verbraucht werden. Auf diese Weise kann der Computer für jeden Punkt im Gitter berechnen, welche Kräfte auf ihn einwirken und damit auch, ob und wohin er sich bewegt.

Jetzt müsse nur noch überprüft werden, ob das in der Simulation berechnete Verhalten auch tatsächlich dem in der Praxis entspricht, erklärt Balazs. Sollte sich das Modell bewähren, könnten die Eigenschaften eines Gels nicht nur vorhergesagt, sondern auch maßgeschneidert werden ? eine wichtige Voraussetzung für einen potenziellen Einsatz der Materialien als künstliche Muskeln in kleinen Robotern.

New Scientist, Online-Dienst, 03.November Originalarbeit der Forscher: Victor Yashin und Anna Balazs (Universität Pittsburgh): Science, Bd. 314, S. 798 ddp/wissenschaft.de ? Ilka Lehnen-Beyel
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