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Metamaterial

Dieses Material dehnt sich unter Druck aus

Noch existiert es nur am Computer - doch schon bald müsste es sich mit 3-D-Druckern herstellen lassen: ein Material, das den Gesetzen der Physik zu widersprechen scheint.
Material dehnt sich unter Druck aus

Freilich steckt ein cleverer Trick hinter dem merkwürdigen Material, das Forscher nun im Fachmagazin "Applied Physics Letters" beschreiben. Denn das Gesetz, dass sich ein Material nicht ausdehnen kann, wenn der äußere Druck zunimmt, gilt nach wie vor. Und dennoch stimmt, was die Wissenschaftler schreiben: Würde man nach ihren Anweisungen einen Würfel aus diesem Material erzeugen und beispielsweise einem hohen Wasserdruck aussetzen, würde der Würfel wachsen.

Wie man dabei vorgehen müsste, hat das Team um Martin Wegener vom Karlsruher Institut für Technologie jetzt detailliert beschrieben und simuliert. In nicht allzu ferner Zukunft sollten 3-D-Drucker in der Lage sein, es auch tatsächlich zu erzeugen. Noch aber existiert es ausschließlich als Computersimulation.

Anders als die meisten anderen Materialien besteht es nicht aus einem homogenen Substanzgemisch, sondern aus einer Anordnung winziger identischer Bausteine, die ein regelmäßiges Gitter bilden. Jeder Baustein ist mit allen acht Nachbarn über balkenartige Kontakte verknüpft. Diese Balken wiederum ragen ins Innere des Bausteins und sind dort an kreuzförmige Hohlkörper angesetzt. Steigt nun der äußere Druck, presst es die Hohlkörper zusammen, ihre Außenwand wölbt sich, das dreht die Hohlkörper und bewegt die angesetzten Balken. Dies hat schließlich zur Folge, dass sich der Abstand zum Nachbarblock ein wenig vergrößert – die beiden Bausteine schieben sich ein Stückchen voneinander weg.

© Jingyuan Qu, Muamer Kadic, Martin Wegener
Animation des Ausdehnungsvorgangs

Da dieser Vorgang überall im Gitter stattfindet, wächst das Gesamtvolumen des Materials gleichförmig in alle Richtungen, wenn der von allen Seiten ausgeübte Druck zunimmt. So gesehen hat das Material eine negative Kompressibilität – eigentlich ein Ding der physikalischen Unmöglichkeit. "Der Trick", sagt Koautor Jingyuan Qu, "ist, dass das Volumen, das man sehen kann, zunimmt, während das vom 3-D-gedruckten Material umschlossene Volumen – das man nicht direkt wahrnehmen kann – abnimmt."

Laut den Berechnungen der Forscher müsste eine Ausdehnung um ein Prozent bei einer Druckerhöhung um ein Bar machbar sein – ein solcher Größenzuwachs könne sogar mit dem bloßen Auge beobachtet werden. In welchen technischen Bereichen ein derartiges Material Anwendung finden könnte, dazu machen Wegener und Kollegen keine Angaben.

17/2017

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 17/2017

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