Materialfilm kriecht bei Bestrahlung vorwärts und transportiert sogar Lasten Polymer-Konstrukt mit Lichtantrieb - scinexx | Das Wissensmagazin
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Materialfilm kriecht bei Bestrahlung vorwärts und transportiert sogar Lasten

Polymer-Konstrukt mit Lichtantrieb

Ein dünner Polymerfim in einem Rahmen und UV-Licht - mehr benötigt diese Minimaschine nicht, um vorwärts zu kriechen. © Bart van Overbeeke

Skurrile Erfindung: Forscher haben ein Polymer entwickelt, das sich bei Beleuchtung von selbst fortbewegt. Der dünne Materialfilm kriecht in wellenförmigen Bewegungen immerhin so schnell wie eine Raupe. Er kann aber auch Sand wegwerfen und sogar Objekte bergauf transportieren, die größer sind als er selbst, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature“ berichten. Möglich wird dies, weil das Polymermaterial im UV-Licht die Form seiner Moleküle verändert.

Polymere sind wahre Tausendsassas unter den Materialien. Die Kettenmoleküle sind nicht nur vielseitig einsetzbar, sie entfalten unter bestimmten Bedingungen auch ein faszinierendes Eigenleben. Ein Polymer beispielsweise reagiert auf Luftfeuchtigkeit und springt sogar in die Luft, ein anderes repariert sich selbst und sogar Muskeln aus polymerbeschichtetem Textil haben Forscher schon hergestellt.

Polymer reagiert auf Licht

Jetzt kommt eine neue Erfindung dazu: Anne Gelebart von der Universität Eindhoven und ihre Kollegen haben ein Polymer entwickelt, das UV-Licht direkt in Bewegung umsetzt. Dies funktioniert, weil das Material aus zwei Azo-Verbindungen besteht, die bei Bestrahlung ihre Konformation ändern. Die Flüssigkristallpolymere wechseln dabei von einer stäbchenförmigen Trans-Form in eine gebogene Cis-Form, wie die Forscher berichten.

Kombiniert man diese Polymere in einem dünnen Materialfilm, dann überträgt sich die molekulare Formänderung auf den gesamten Film: Dort, wo UV-Licht auftrifft, wölbt und dehnt sich der Streifen, in Schattenzonen wird er gerade. „Wenn beide Enden des Streifens fixiert werden und dem Licht ausgesetzt, dann bildet sich eine stehende Welle“, berichten die Forscher. „Diese Welle regeneriert sich kontinuierlich und wandert dabei in einer sich wiederholenden schlangenartigen Bewegung, bis das Licht ausgeschaltet wird.“

Nur vom UV-Licht angetrieben, kriecht der MIni-Softbot durch die Gegend© TU Eindhoven

Kriecht wie eine Raupe

Der Clou daran: Diese Wellenbewegung lässt sich nutzen, um aus dem Material eine Art Miniroboter zu machen. Dafür befestigten die Wissenschaftler beide Enden eines Polymerstreifens in einem dünnen, rechteckigen Rahmen. Wird er nun mit UV-Licht bestrahlt, sorgen die Wellen dafür, dass das ganze Gebilde sich langsam vorwärtsbewegt. Es erreicht dabei immerhin das Kriechtempo einer Raupe – rund einen Zentimeter pro Sekunde.

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Das Polymer bildet damit die erste Maschine der Welt, die Licht direkt in eine Fortbewegung umwandelt, ohne dass die Lichtquelle bewegt wird, wie die Forscher berichten. Je nach Ausrichtung des Materialfilms kriecht der etwa büroklammergroße Polymerroboter entweder gezielt auf die Lichtquelle zu oder von ihr weg.

Sandschleuderer und Lastenträger

Die skurrile Konstruktion kann sogar nützliche Arbeit leisten, wie erste Versuche belegen: Schüttet man ein wenig Sand auf den Materialfilm, kann der Polymerroboter diesen entweder wie ein Fließband von einem Ende zum anderen befördern, oder ihn sogar mit Schwung wegschleudern. „Dies kann man viele Male wiederholen, ohne dass der Film Schäden oder Ermüdungserscheinungen zeigt“, berichten Gelebart und ihre Kollegen.

Das Polymer-Maschinchen könnte durchaus praktische Anwendungen haben. © Bart van Overbeeke

Und nicht nur das: Das Gebilde kann sogar Lasten bergauf transportieren, die größer und schwerer sind als es selbst, wie Tests demonstrierten. Mit seinen schlangenartigen Wellen schiebt der Polymerroboter das Objekt nicht nur stetig bergauf, sie verhindern auch ein Zurückrutschen der Last.

Praktischen Nutzen könnten solche mittels Licht bewegten Polymere beispielsweise bei der autonomen Reinigung von Solarzellen haben, aber auch für Miniatur-Transportsysteme oder als photomechanische Energiesammler. (Nature, 2017; doi: 10.1038/nature22987)

(Eindhoven University of Technology, 29.06.2017 – NPO)

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