Neuer Supergummi soll als explosionsartiger Energiespeicher dienen

Forscher*innen der University of Massachusetts Amherst haben eine neue Gummi-Substanz entwickelt. Diese weist besondere Eigenschaften auf, die bei natürlich vorkommenden Materialien nicht zu finden sind.

Wie phys.org berichtet, kann sie nämlich enorme Mengen an Energie sammeln und wieder abgeben. "Stellen Sie sich ein Gummiband vor", sagt Alfred Crosby, Professor für Polymerwissenschaft und Leiter der Studie. "Man zieht es zurück und wenn man es loslässt, fliegt es durch den Raum. Nun stellen Sie sich ein Super-Gummiband vor. Wenn man es über einen bestimmten Punkt hinaus dehnt, aktiviert man die im Material gespeicherte zusätzliche Energie. Wenn man dieses Gummiband loslässt, fliegt es kilometerweit."

Das hergestellte Material ähnelt natürlich nicht einem gewöhnlichen Gummiband, wie im Symbolfoto oben:

Dieses „Gummiband“ besteht aus einem elasto-magnetischen Material, das eine elastische, gummiartige Substanz mit kleinen, darin eingebetteten magnetischen Partikel kombiniert. Es nutzt eine physikalische Eigenschaft, die als Phasenübergang bekannt ist, um die Energiemenge, die das Material abgeben oder aufnehmen kann, erheblich zu verstärken.

Wandlungsfähig und programmierbar

Ein Phasenübergang tritt auf, wenn ein Material von einem Zustand in einen anderen übergeht - vergleichbar mit Wasser, das sich in Dampf verwandelt oder flüssiger Beton, der aushärtet. Bei jedem Phasenübergang eines Materials wird entweder Energie freigesetzt oder absorbiert. Dabei muss es sich nicht nur um einen Wechsel des Aggregatzustands handeln, sondern kann auch eine Verschiebung von einer festen Phase in eine andere sein. Solch ein Phasenübergang, bei dem Energie freigesetzt wird, kann als Energiequelle genutzt werden, jedoch war es bisher schwierig, dabei genügend Energie zu erhalten.

"Um die Energiefreisetzung oder -aufnahme zu verstärken, muss man eine neue Struktur auf molekularer oder sogar atomarer Ebene schaffen", sagt Crosby.  Dabei haben sie „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 Crosby.

Inspiriert wurde das Team von einigen der blitzschnellen Reaktionen, die man in der Natur beobachten kann, wie das Zuschnappen von Venusfliegenfallen und Ameisen mit Fallenkiefer. "Wir haben dies auf die nächste Stufe gehoben", sagt Xudong Liang, Professor am Harbin Institute of Technology, Shenzhen (HITSZ) in China, der diese Forschung an der UMass Amherst durchgeführt hat. "Indem wir winzige Magnete in das elastische Material einbetten, können wir die Phasenübergänge dieses Metamaterials kontrollieren. Und da der Phasenübergang vorhersehbar und wiederholbar ist, können wir das Metamaterial so gestalten, dass es genau das tut, was wir wollen: Entweder die Energie eines großen Aufpralls absorbieren oder große Mengen an Energie für explosive Bewegungen freisetzen."

Großes Nutzungspotenzial

Diese Forschungsarbeit könnte in Szenarien eingesetzt werden, die entweder das Absorbieren starker Aufprallkräfte oder blitzschnelle explosionsartige Abgeben von Energie erfordern.

Insgesamt verspricht dieses neue Material ein breites Spektrum von Anwendungen. Angefangen bei der Möglichkeit, Robotern mehr Leistung zu verleihen, ohne zusätzliche Energie zu verbrauchen, bis hin zu neuen Helmen und Schutzmaterialien.