Folie mit Gänsehaut-Effekt

Wie ein unscheinbares Stück Plastikfolie sieht das Material aus, das Joanna Aizenberg zusammen mit ihrem Team entwickelt hat. Aber diese transparente Folie hat es in sich. Obwohl sie nur ungefähr so dick ist wie ein menschliches Haar, birgt sie einen winzig kleinen Maschinenpark. Im Inneren arbeiten mechanische Teile, um die Temperatur des Materials immer konstant zu halten - auf einem festen Wert oberhalb der Umgebungstemperatur. Es sei denkbar, dieses Material auf Oberflächen zu kleben, um sie damit zu beheizen, sagt die Forscherin.

"Vorstellbar wären Anwendungen in der Architektur. Fenster, zum Beispiel, von denen immer die gleiche Wärmemenge ins Zimmer fließt. Wenn es draußen kalt ist, würden unsere Materialien die Scheibe heizen, so dass im Zimmer immer eine angenehme Temperatur herrscht."

Auch im menschlichen Körper gibt es solche winzigen Maschinen, die dabei helfen, die Körpertemperatur konstant zu halten. Sie bestehen aus komplexen Biomolekülen, die eine mechanische Bewegung mit einer chemischen Reaktion koppeln. Die Maschinen der Harvard-Forscher funktionieren nach demselben Prinzip. Für die mechanische Bewegung sorgt eine hauchdünne Schicht eines gequollenen Kunstharzes, eines sogenannten Hydrogels.

"Das ist ein Kunststoff, der auf die Umgebungstemperatur reagiert, indem er sich stark ausdehnt oder zusammen zieht. Es gibt eine ganze Palette solcher Materialien, und die Temperatur, bei der der Effekt einsetzt, lässt sich daher auf den gewünschten Wert einstellen."

In der Gelschicht stecken feine Schuppen aus Kunststoff. Wenn die Umgebungstemperatur sinkt, dann dehnt sich das Gel aus und klappt diese Schuppen nach oben – so wie sich die Härchen auf dem menschlichen Arm aufstellen, wenn wir eine Gänsehaut bekommen. An der Spitze der winzigen Schuppen befindet sich ein Katalysator, ein Reaktionsbeschleuniger. Sobald die Schuppen sich fast vollständig aufgerichtet haben, löst der Katalysator in einer Flüssigkeitsschicht oberhalb des Gels eine chemische Reaktion aus. Eine chemische Reaktion, bei der Wärme entsteht, erklärt Joanna Aizenberg.

"Wird nun aber nach einer gewissen Weile ein Übermaß an Wärme frei gesetzt, dann wird der Katalysator wieder aus der oberen Schicht entfernt. Denn auch das Gel heizt sich auf, zieht sich zusammen und klappt die Schuppen wieder nach unten. Das ist ein ständiges Auf und Ab, Ein und Aus. Und dadurch pendelt die Temperatur des Materials in einem engen Bereich exakt um den Soll-Wert herum."

Wie der menschliche Körper einen Brennstoff braucht, um seine Temperatur halten zu können, so muss auch der Plastikfolie mit Gänsehaut-Effekt immer wieder eine Art Nährstoff zugeführt werden. Eine chemische Verbindung in der oberen Flüssigkeitsschicht, die durch den Katalysator umgewandelt wird.

"Der Verbrauch ist ausgesprochen niedrig. Denn die Reaktion wird nur dann gestartet, wenn sie wirklich gebraucht wird. Wenn die gewünschte Temperatur erreicht ist, stoppt auch die chemische Reaktion wieder. Das ist ein sehr effizientes System."

Über die technischen Details solch einer Anwendung als Fensterfolie hat Joanna Aizenberg noch keine konkreten Vorstellungen. Sie sieht ihre Maschinen im Mikrometermaßstab als eine vielseitige Plattform, die sich an unterschiedliche Aufgaben anpassen lässt. Nicht nur die Temperatur könne mit solchen Materialien auf einem konstanten Wert gehalten werden, sondern auch die Konzentration chemischer Substanzen im menschlichen Körper.

"Denkbar wäre zum Beispiel ein System, das selbständig den Blutzuckerspiegel einstellt. Dann müsste der Katalysator aus einem Nährstoff in der oberen Flüssigkeitsschicht Glukose frei setzen. Und die untere Gelschicht müsste mechanisch auf die Konzentrationsänderung reagieren. So sind medizinische Anwendungen vorstellbar, die den Spiegel von Stoffwechselprodukten regulieren."