Neues starkes Metamaterial vom MIT per Laserdruck

Das Wichtigste in Kürze

MIT-Forschende entwickeln neuartige Metamaterialien, die gleichzeitig stark und dehnbar sind.
Das Material basiert auf starren Polymeren, erhält jedoch durch eine spezielle Doppelstruktur elastische Eigenschaften.
Gedruckt wird das Material mithilfe von Zwei-Photonen-Lithografie, einer hochpräzisen Lasertechnologie.
Die Struktur kombiniert starre Gitter mit flexiblen, spiralförmigen Elementen – ähnlich einem Spaghetti-Netzwerk.
Potenzielle Anwendungen: reißfeste Textilien, flexible Elektronik, dehnbare Halbleiter, biomedizinische Gerüste.

Neues Konzept für Metamaterialien

Metamaterialien sind künstlich hergestellte Werkstoffe, deren außergewöhnliche Eigenschaften durch ihre mikroskopische Struktur entstehen – nicht durch das Ausgangsmaterial selbst. Bisher lag der Schwerpunkt auf maximaler Steifigkeit und Festigkeit. Doch das MIT-Team um Carlos Portela verfolgt nun einen anderen Ansatz: Sie kombinieren Stabilität mit Flexibilität.

Doppelte Netzstruktur als Schlüssel

Das Besondere an dem neuen Material ist die sogenannte Doppelnetzstruktur. Dabei wird ein starres Gerüst aus Mikrostruts (kleine Streben) mit einem weicheren, spiralförmigen Netzwerk verwoben. Beide Strukturen bestehen aus dem gleichen, eigentlich spröden Acrylkunststoff, ähnlich Plexiglas. Durch die spezielle Anordnung entsteht jedoch ein Material, das sich mehr als vierfach dehnen lässt, ohne zu reißen.

Herstellung mit Zwei-Photonen-Lithografie

Die Produktion erfolgt über Zwei-Photonen-Lithografie, ein Verfahren aus der Mikrofabrikation. Es erlaubt das präzise Drucken von Strukturen im Mikro- und Nanobereich. Mit dieser Technik konnten die Forschenden komplexe Proben mit Größen von wenigen Mikrometern bis zu mehreren Quadratmillimetern herstellen.

Mechanische Tests mit überraschenden Ergebnissen

In mechanischen Zugversuchen zeigte sich, dass das neue Material etwa drei Mal so weit gedehnt werden kann wie herkömmliche Gitterstrukturen aus demselben Kunststoff. Entscheidender Faktor ist das Verhalten bei Belastung: Während die starren Elemente brechen, übernimmt das flexible Netzwerk die Last – ähnlich einem Spaghetti-Haufen, der sich verhakt und so Energie aufnimmt.

Defekte als Vorteil

Ein ungewöhnlicher Befund: Gezielte Defekte im Material – also kleine Löcher – steigern die Elastizität und Energieaufnahme zusätzlich. Diese „gewollten Schwächen“ sorgen für eine noch bessere Verteilung der Belastung und verhindern das schnelle Weiterreißen von Rissen.

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten

Die Forschenden sehen großes Potenzial in der Übertragung des Doppelnetzkonzepts auf andere Materialien – etwa Keramik, Glas oder Metall. So könnten dehnbare Halbleiter, biegsame Elektronikgehäuse oder reißfeste Textilien entstehen. Auch in der Medizintechnik denkbar: als Gerüst für Zellwachstum, das sowohl stabil als auch nachgiebig ist.

Ausblick: Funktionale Erweiterung denkbar

Künftig könnten die beiden Netzwerke aus unterschiedlichen Materialien bestehen, um zusätzliche Funktionen zu integrieren – etwa Temperaturreaktion oder elektrische Leitfähigkeit. So könnten Textilien entstehen, die bei Wärme poröser werden oder sich bei Kälte versteifen.

Unsere Einschätzung

Die Entwicklung des MIT-Teams erweitert den Horizont für Metamaterialien deutlich. Statt auf reine Steifigkeit zu setzen, eröffnet die Kombination aus Festigkeit und Dehnbarkeit neue Einsatzfelder – besonders in Bereichen, in denen Materialien bisher entweder hart oder weich sein mussten. Die präzise Drucktechnik und das durchdachte Design machen das Verfahren technisch anspruchsvoll, aber vielversprechend. Für den 3D-Druck bedeutet das: Metamaterialien der nächsten Generation könnten nicht nur stabil, sondern auch funktional vielseitig einsetzbar sein.