von Peter Welchering
Ein herkömmlicher Industrieroboter bei der Arbeit. Über 250 Volt Spannung braucht er, um seine Greifer so ausrichten zu können, dass er beispielsweise einen Schweißpunkt setzen kann. Die dafür notwendigen Stellglieder, so eine Art stählerner Muskel, sind zwischen 15 und 30 Kilogramm schwer. Mit einer neuen Werkstoff-Technologie für kleine künstliche Muskeln aus Metall dürfte sich das jetzt ändern. Wissenschaftler des Forschungszentrums Karlsruhe haben jetzt nämlich nanostrukturiertes Platin hergestellt, dass sich so zusammenzieht oder dehnt wie ein Muskel, wenn eine Spannung angelegt wird. Dr. Jörg Weissmüller, Leiter der Arbeitsgruppe beschreibt das so.
Das Experiment funktioniert so, dass man kleine Platinteilchen kompaktiert zu einer Probe, die dann schlussendlich makroskopisch ist, d.h. das ist dann so eine Scheibe, etwa zehn Millimeter im Durchmesser und ein paar Millimeter dick. Und diese Scheibe legt man dann in einen so genannten Elektrolyten, das ist einfach Kalilauge in unserem Fall. Und man legt nun eine Spannung an das Metall an, und was man beobachtet ist, dass Metall sich dann kontrahiert und wieder expandiert, wenn man die Spannung umdreht. Und das kann man sehr oft wiederholen.
Zwischen den nur fünf Millionstel Millimeter groflen Platin-Partikeln liegen dabei viele Poren. Partikel und Poren bilden einen Festkörper, der in die leitfähige Kalilauge. Die Kalilauge dringt in alle Poren ein und transportiert, wenn Spannung angelegt wird, elektrische Ladung zu allen Nanopartikeln. Jörg Weissmüller.
Das sagt auch, wieso wir Nanostrukturen verwenden müssen: Wir brauchen nämlich genau diese Oberfläche zwischen dem Metall und den Elektrolyten, um den Effekt zu erzielen. Der passiert nur dort. Und je kleiner unsere Kristallite sind, desto mehr Oberflächen haben die. Genau deshalb müssen wir nanogrofle Kristalle verändern.
Bei Nanopartikeln bestimmen die Oberflächen das Verhalten des gesamten Partikels. Und in diesem Fall verändert die angelegte Spannung die Zahl der Elektronen bei den Atomen der Oberfläche und die Atomabstände. Durch die veränderten Atomabstände verändert sich auch die Größe der Nanopartikel. Dadurch dehnt sich der aus vielen tausend Partikeln bestehende Festkörper aus, oder er zieht sich zusammen, je nachdem wie die Atomabstände geändert werden. Schon bei sehr kleinen Spannungen von weniger als einem Volt verändern die Nanopartikel aus Platin durch Änderung der Atomabstände ihre Länge. Die dadurch entstehende Bewegung kann präzise gesteuert werden.
Das liegt daran, dass wir ¸ber diese Spannung, die wir anlegen halt Ladungen aufbringen auf die Grenzflächen zwischen diese Kristalliten und die Flüssigkeit, in die sie tauchen, den Elektrolyten. Und weil das durch die Spannung gesteuert wird, können wir den Prozess halt beliebig oft umdrehen, indem wir einfach die Spannung umpolen.
Sogar ganz große und schwere Roboterarme könnten damit bewegt werden. Denn die nur fünf Nanometer groflen Partikel lassen sich zu beliebig großen Festkörpern zusammenfügen.
Die Materialien, die wir machen, die bestehen halt auf der Nanometer-Skala aus sehr kleinen Elementen, aber von den kleinen Elementen hat es halt sehr viele, und deshalb sind es Volumenmaterialien. Die Proben, die wir herstellen, die sind im Moment so 10 Millimeter im Durchmesser und einige Millimeter dick. Und da gibt es überhaupt keine Probleme, die auch hochzuskalieren in ihrer Größe.
Nicht nur künstliche Muskeln für Roboter lassen sich daraus herstellen, sondern auch intelligente Prothesen, die bei Bedarf ihre Form ändern. Und selbst mikroskopisch kleine Ventile können damit gebaut werden, die sich je nach Bedarf selbstständig öffnen und schließen.
Ein herkömmlicher Industrieroboter bei der Arbeit. Über 250 Volt Spannung braucht er, um seine Greifer so ausrichten zu können, dass er beispielsweise einen Schweißpunkt setzen kann. Die dafür notwendigen Stellglieder, so eine Art stählerner Muskel, sind zwischen 15 und 30 Kilogramm schwer. Mit einer neuen Werkstoff-Technologie für kleine künstliche Muskeln aus Metall dürfte sich das jetzt ändern. Wissenschaftler des Forschungszentrums Karlsruhe haben jetzt nämlich nanostrukturiertes Platin hergestellt, dass sich so zusammenzieht oder dehnt wie ein Muskel, wenn eine Spannung angelegt wird. Dr. Jörg Weissmüller, Leiter der Arbeitsgruppe beschreibt das so.
Das Experiment funktioniert so, dass man kleine Platinteilchen kompaktiert zu einer Probe, die dann schlussendlich makroskopisch ist, d.h. das ist dann so eine Scheibe, etwa zehn Millimeter im Durchmesser und ein paar Millimeter dick. Und diese Scheibe legt man dann in einen so genannten Elektrolyten, das ist einfach Kalilauge in unserem Fall. Und man legt nun eine Spannung an das Metall an, und was man beobachtet ist, dass Metall sich dann kontrahiert und wieder expandiert, wenn man die Spannung umdreht. Und das kann man sehr oft wiederholen.
Zwischen den nur fünf Millionstel Millimeter groflen Platin-Partikeln liegen dabei viele Poren. Partikel und Poren bilden einen Festkörper, der in die leitfähige Kalilauge. Die Kalilauge dringt in alle Poren ein und transportiert, wenn Spannung angelegt wird, elektrische Ladung zu allen Nanopartikeln. Jörg Weissmüller.
Das sagt auch, wieso wir Nanostrukturen verwenden müssen: Wir brauchen nämlich genau diese Oberfläche zwischen dem Metall und den Elektrolyten, um den Effekt zu erzielen. Der passiert nur dort. Und je kleiner unsere Kristallite sind, desto mehr Oberflächen haben die. Genau deshalb müssen wir nanogrofle Kristalle verändern.
Bei Nanopartikeln bestimmen die Oberflächen das Verhalten des gesamten Partikels. Und in diesem Fall verändert die angelegte Spannung die Zahl der Elektronen bei den Atomen der Oberfläche und die Atomabstände. Durch die veränderten Atomabstände verändert sich auch die Größe der Nanopartikel. Dadurch dehnt sich der aus vielen tausend Partikeln bestehende Festkörper aus, oder er zieht sich zusammen, je nachdem wie die Atomabstände geändert werden. Schon bei sehr kleinen Spannungen von weniger als einem Volt verändern die Nanopartikel aus Platin durch Änderung der Atomabstände ihre Länge. Die dadurch entstehende Bewegung kann präzise gesteuert werden.
Das liegt daran, dass wir ¸ber diese Spannung, die wir anlegen halt Ladungen aufbringen auf die Grenzflächen zwischen diese Kristalliten und die Flüssigkeit, in die sie tauchen, den Elektrolyten. Und weil das durch die Spannung gesteuert wird, können wir den Prozess halt beliebig oft umdrehen, indem wir einfach die Spannung umpolen.
Sogar ganz große und schwere Roboterarme könnten damit bewegt werden. Denn die nur fünf Nanometer groflen Partikel lassen sich zu beliebig großen Festkörpern zusammenfügen.
Die Materialien, die wir machen, die bestehen halt auf der Nanometer-Skala aus sehr kleinen Elementen, aber von den kleinen Elementen hat es halt sehr viele, und deshalb sind es Volumenmaterialien. Die Proben, die wir herstellen, die sind im Moment so 10 Millimeter im Durchmesser und einige Millimeter dick. Und da gibt es überhaupt keine Probleme, die auch hochzuskalieren in ihrer Größe.
Nicht nur künstliche Muskeln für Roboter lassen sich daraus herstellen, sondern auch intelligente Prothesen, die bei Bedarf ihre Form ändern. Und selbst mikroskopisch kleine Ventile können damit gebaut werden, die sich je nach Bedarf selbstständig öffnen und schließen.