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17. April 2003
Muskeln aus Metall
(he) Muskeln aus Metall für Miniaturroboter oder Kleinprothesen - das ist eine der Visionen, die durch eine Entdeckung des Forschungszentrums Karlsruhe Wirklichkeit werden könnte. Wissenschaftler entwickelten ein neuartiges nanoporöses Metall, das sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung reversibel ausdehnt. So kann elektrische Energie direkt in mechanische Energie umgewandelt werden.
Weltweit erstmalig lassen sich damit an einem Metall makroskopisch messbare Längenänderungen durch Anlegen von geringen elektrischen Spannungen hervorrufen. Dank dieses Durchbruchs können verschiedene mikrotechnische Komponenten realisiert werden, die inzwischen zum Patent angemeldet worden sind: Schalter und Regler, Aktuatoren, direkte Spannungsanzeiger oder andere Sensoren sowie Bewegungswandler, die die Umkehrung des Effektes ausnutzen. "Wir haben zunächst nanostrukturiertes Platin hergestellt", erklärt Dr. Jörg Weissmüller, der dieses Projekt am Institut für Nanotechnologie des Forschungszentrums Karlsruhe leitet. "Dabei wird ein Festkörper aus kleinen Nanopartikeln mit vielen dazwischen liegenden Poren aufgebaut." Diese Form des Platins ändert beim Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Ausdehnung in einer Stärke, die bisher mögliche Werte bei Metallen um ein Vielfaches übersteigt. Die Längenänderungen sind makroskopisch messbar. Damit wird eine Vielzahl von Anwendungen möglich, die vorher unerreichbar schienen. So können aus dem nanostrukturierten Platin so genannte Aktuatoren gebaut werden, das sind Bauelemente, die elektrische Arbeit direkt in Bewegung umsetzen. Die Anwendungen reichen von mikroskopischen Ventilen, die entweder von außen oder - abhängig von ihrer Umgebung - auch selbständig geschaltet werden, über adaptive Optiken oder intelligente Materialien, die bei Bedarf ihre Form ändern, bis zu künstlichen Muskeln für Miniaturroboter oder Kleinprothesen. Weitere Anwendungen sind Dosiereinheiten, Schalter und Regler, etwa zum Öffnen und Schließen eines Stromkreises oder Messgeräte für Ionen oder elektrische Spannungen. Der umgekehrte Effekt - die Umwandlung von Beschleunigung in einen Stromimpuls lässt sich für Bewegungs- oder Kraftsensoren nutzen, wie sie beispielsweise für die Auslösung von Airbags im Auto verwendet werden. Bei den Experimenten in Karlsruhe ließen sich schon bei relativ kleinen Spannungen von unter einem Volt in dem nanoporösen Platin Längenänderungen von bis zu 0,15 Prozent erzielen. Damit wurden weltweit erstmals an einem Metall makroskopisch messbare Längenänderungen durch Anlegen von geringen elektrischen Spannungen hervorgerufen.
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