Besondere Werkstoffe

Die Würfel mit dem gewissen Dreh

Von Manfred Lindinger
 - 13:00

Wirkt eine Kraft auf einen elastischen Werkstoff, so reagiert dieser gewöhnlich auf zwei verschiedene Weisen auf die einseitige Belastung: Er verbiegt sich oder schrumpft, indem er sich nach allen Seiten ausdehnt. Eine ungewöhnliche Art, auf einen von oben ausgeübten Druck zu reagieren, zeigt ein künstliches Material, das Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie entwickelt haben: Es verdreht sich um seine Achse. Dabei wird die lineare Bewegung in eine Drehbewegung umgewandelt – ein Vorgang, der bislang nur Maschinen zugedacht war.

Das mechanische Kunststück ist Tobias Frenzel und seinen Kollegen – zunächst am Computer – mit einer luftigen Würfelstruktur gelungen, die nur aus Ringen und Streben besteht. An jeder Seitenwand des Würfels befindet sich ein Ring. Dieser hängt an vier Streben, die mit jeweils einer Ecke verbunden sind.

Maschinenwerk aus Streben und Ringen

Wird ein solcher Würfel durch eine Belastung in horizontaler Richtung komprimiert, bewegen sich die Streben der horizontalen Würfelseiten nach unten. Das führt dazu, dass sich die Ringe leicht verdrehen. Die Drehbewegung überträgt Kräfte an die Ecken der waagerechten Seitenflächen. Die Folge: Der komplette Würfel verdreht sich um seine Achse.

Um das Ergebnis der Simulationsrechnung zu überprüfen, fertigen die Forscher mit einem 3D-Drucker aus einem Kunststoff unterschiedlich große Türme aus Hunderten kleiner Würfel mit Kantenlängen zwischen 100 und 500 Mikrometern. Je nach Anordnung der Würfel beobachteten Wegener und seine Kollegen bei senkrechter Krafteinwirkung eine Links- oder Rechtsdrehung, wie die Forscher in der Zeitschrift „Science“ berichten. Bei Türmchen aus 500 kleineren Würfeln war der Effekt am stärksten ausgeprägt. Eine Kompression von einem Prozent des Volumens führte zu einer Drehung um zwei Grad. Ließ der Druck nach, nahm der Turm wieder seine ursprüngliche Form wieder an. Die Karlsruher Wissenschaftler stellten fest, dass die Steifigkeit der Türme mit der Zahl der Würfel zunahm. Mögliche Anwendungen könnten für das künstliche Material in speziellen Stoßdämpfern oder neuartigen Prothesen liegen.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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