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News: Tauziehen der Polymere

Was haben wir, was ein Waschlappen nicht hat? Richtig: Muskeln. Mit künstlichen Muskeln aus elektroaktiven Polymeren könnte man aber selbst den nassesten Waschlappen wieder in Form bringen. Wenn man deren elektrische Eigenschaften verbessert.
Ein heißer Kandidat für die Entwicklung künstlicher Muskeln sind elektroaktive Polymere (EAPs). Genau wie ihre natürlichen Gegenstücke sind sie in der Lage, sich auf einen elektrischen Reiz hin zusammenzuziehen und ihre Länge so um bis zu zehn Prozent zu verkürzen.

Doch leider haben auch EAPs einen Haken, denn zur Kontraktion muss eine verhältnismäßig starke Spannung angelegt werden. Der Grund liegt in der geringen Dielektrizitätskonstante des organischen Polymers: Sie ist eng mit der chemischen Struktur eines Materials verknüpft und ist Maß für dessen Fähigkeit, elektrische Ladungen zu speichern. Bei einer höheren Dielektrizitätskonstante wären deshalb deutlich geringere Spannungen nötig.

Aus diesem Grund versuchten Qiming Zhang und seine Kollegen der Penn State University, die elektrischen Eigenschaften des bereits bekannten EAPs Poly (Vinylidenfluorid/Trifluorethylen) zu verbessern. Sie hatten dabei aber weniger eine Veränderung der chemischen Struktur des Polymers im Sinn, vielmehr vermischten sie das EAP mit einem Füllstoff, der eine hohe Dielektrizitätskonstante besitzt. In der Vergangenheit waren solche Veränderungen der Zusammensetzung allerdings wenig erfolgreich: Gute elektrische Eigenschaften wurden stets durch einen Verlust an Elastizität erkauft.

Für ihre Mischung wählten die Forscher den organischen Halbleiter Kupfer-Phtalocyanin als Füllstoff, den sie gleichmäßig in der Polymermatrix verteilten. Der entscheidende Vorteil dieser Substanz liegt darin, dass sie ähnlich elastisch ist wie das Polymer, das sie umgibt, und deshalb die Kontraktion nicht behindert.

Die Messungen gaben Zhang und seinen Kollegen Recht: Sie schufen ein elektroaktives Polymer, das mit deutlich geringerer Spannung arbeitet. Durch einen Gehalt von 40 bis 55 Prozent Kupfer-Phtalocyanin konnten sie diese so um das Zehnfache senken. Die genauen Ursachen, die zur Optimierung der elektrischen Eigenschaften führen, sind allerdings noch nicht genau geklärt, jedoch scheint das Verfahren zum Vermischen der beiden Stoffe nach Angaben der Forscher ein entscheidender Faktor zu sein, der sogar noch weiteres Verbesserungspotenzial in sich birgt.

Von der Beschaffenheit her ist das Material ein wenig steifer als eine Plastiktüte, sodass man mehrere Lagen aufeinanderlegen und zusammenrollen könnte. Dadurch entstünden muskelähnliche Strukturen, die sich für zahllose futuristische Anwendungen in unterschiedlichsten Gebieten - wenngleich auch nicht für Waschlappen - eignen könnten. Zhang denkt dabei zum Beispiel an "intelligente" Flügeloberflächen von Flugzeugen, die den Luftwiderstand senken, oder an winzige Pumpen. Letztere könnten kleine Flüssigkeitsmengen durch Minilabors befördern, die auf einem Mikrochip Platz finden, oder möglicherweise – im Körper implantiert – die Freisetzung von Medikamenten wie Insulin steuern.

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