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13. März 2018

Ein Kraftwerk aus Gummi

Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa haben ein elastisches Material entwickelt, das bei Verformung Strom erzeugt. In Zukunft könnte es etwa als Sensor zum Einsatz kommen, in Kleidung eingebunden oder gar in den menschlichen Körper implantiert werden, zum Beispiel um Herzschrittmacher mit Strom zu versorgen.

Es handelt sich dabei um einen dünnen, organischen, elastischen Film, der Strom produziert, wenn er auseinandergezogen oder zusammengepresst wird. Dieser Gummi-Film könnte in Schaltknöpfe, Kleidung, Roboter oder sogar in den menschlichen Körper eingebaut werden und Aktivitäten überwachen, Berührungen aufzeichnen oder bei Verformung Strom generieren, etwa um implantierte Geräte wie Herzschrittmacher zu betreiben.

Die Fähigkeit, mechanische Bewegungen in elektrische Ladungen umzuwandeln, verdankt der Gummi dem piezoelektrischen Effekt. Lange Zeit war der piezoelektrische Effekt nur von Kristallen bekannt. Dr. Dorina Opris, Yee Song Ko und ihren Kollegen gelang es nun, Elastomere mit piezoelektrischen Eigenschaften zu versehen.

Das neue Material ist ein Verbundstoff aus polaren Nanopartikeln und einem Silikon-Elastomer. Zur Herstellung des stromerzeugenden Elastomer-Films werden die polaren Nanonpartikel und das Silikon-Elastomer zunächst in die gewünschte Form gebracht und anschließend miteinander vernetzt. Es entsteht ein dünner, elastischer Film, in dem die polaren Reste der Nanopartikel noch zufällig orientiert sind. Um dem Material die gewünschten piezoelektrischen Eigenschaften zu verleihen, muss ihm eine innere Polarisierung aufgeprägt werden. Dazu wird der Film erhitzt, bis die Glasübergangstemperatur der Nanopartikel überschritten wird, und diese von einem festen, glasartigen Zustand in einen gummiartigen, zähflüssigen Zustand übergehen. Unter Einwirkung eines starken elektrischen Feldes können sich die polaren Reste unter diesen Bedingungen orientierten. Die Orientierung bleibt erhalten, wenn das Material wieder auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

www.empa.ch 

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