Stell dir folgendes vor:
Du hast eine Handvoll Büroklammern. Normale kleine Metalldinger. Die wirfst du in eine Tüte, schüttelst ordentlich — und plötzlich hast du ein festes, unzerstörbares Klumpen in der Hand. Du kannst ziehen, zerren, rappeln — nichts passiert. Die Klammern halten zusammen, als wären sie verschweißt.
Jetzt schüttelst du anders. Und alles fällt auseinander. Zurück in ein Häufchen harmloser kleiner Klammern.
Klingt nach Magie? Nun, Forscher der University of Colorado Boulder haben genau das Realität werden lassen. Und ich finde das absolut faszinierend.
Das Geheimnis liegt in der Form
Die Forschungsgruppe um Professor Francois Barthelat (der das „Laboratory for Advanced Materials & Bioinspiration" leitet — wie cool ist dieser Name?) hat sich einer spannenden Frage gewidmet: Wie beeinflusst die Form winziger Partikel das Verhalten von Milliarden zusammengepackter Teilchen?
Nimm Sand als Beispiel. Jedes Sandkorn ist glatt und abgerundet, wie eine kleine Kugel. Wenn du Sand aufhäufst, verhakelt sich nichts — die Körner rutschen einfach aneinander vorbei. Deshalb fließt Sand wie eine Flüssigkeit.
Aber was wäre, wenn man die Form dieser Körner verändern würde?
Die Forscher nutzten Computersimulationen und testeten Tausende verschiedener Formen. Ihr Ziel: Die Form zu finden, die maximale „Verhakelung" erzeugt. Und der Gewinner? Eine Form mit zwei „Beinen", die verdächtig an eine Büroklammer erinnert.
Ja, genau die kleinen Metallklammern, mit denen du Papiere zusammenheftest.
Warum Büroklammer-förmige Partikel erstaunlich sind
Wenn Milliarden dieser winzigen, klammerförmigen Partikel sich verheddern, passiert etwas Bemerkenswertes. Sie verhaken sich auf komplexe Weise und bilden ein Netzwerk aus Verbindungen, das dem gesamten Material überraschende Festigkeit verleiht.
„Verhakeltes Granulat aus klammerförmigen Partikeln zeigt gleichzeitig hohe Festigkeit und Zähigkeit", erklärt Doktorand Saeed Pezeshki.
Festigkeit und Zähigkeit — zwei Eigenschaften, die normalerweise gegensätzlich sind. Denk an Glas: Es ist fest (schwer zu zerbrechen), aber nicht zäh (es zerbricht leicht). Kaugummi ist zäh (absorbiert Stöße), aber nicht besonders fest. Beides zusammen zu erreichen, ist in der Natur extrem selten.
Aber genau das schaffen diese Materialien offenbar mühelos. Das ist wirklich bemerkenswert.
Der eigentliche Trick: Alles lässt sich rückgängig machen
Und jetzt wird es richtig interessant.
Diese Materialien sind reversibel.
Leichte Vibrationen — und die Klammern verhaken sich noch fester, das Material wird stärker. Stärkere Vibrationen — und das gesamte Netzwerk löst sich auf, wird wieder zu losen, einzelnen Partikeln.
In Sekunden. Von fest zu lose. Und wieder zurück.
Professor Barthelat beschreibt das Gefehl, diese Materialien in der Hand zu halten, als „sehr fremd und exotisch". Treffender kann man es kaum ausdrücken. Es ist nicht ganz Flüssigkeit, nicht ganz Festkörper. Es ist etwas dazwischen — etwas, das sich durch einen einfachen Input zwischen zwei Zuständen hin- und herschalten lässt.
Was könnten wir damit anstellen?
Die Anwendungsmöglichkeiten sind wirklich aufregend.
Nachhaltiges Bauen: Stell dir vor, du baust eine Brücke oder ein Gebäude mit Materialien, die man nicht abreißen, sondern auseinandernehmen kann. Diese klammerförmigen Partikel ließen sich möglicherweise am Ende ihrer Lebensdauer zerlegen und wiederverwenden. Kein Bagger nötig. Nur die richtigen Vibrationen, und alles löst sich auf, damit du die Materialien woanders erneut verwenden kannst. Das ist ein überzeugendes Konzept für nachhaltigeres Bauen.
Schwarmrobotik: Einer der Forscher erwähnte, dass Kollegen sich vorstellen, diese Technologie für Roboter einzusetzen, die sich für Aufgaben verhaken und danach wieder lösen.
„Ich habe mit anderen Studierenden gesprochen, die glauben, dass diese Technologie in der Schwarmrobotik eingesetzt werden könnte — wo kleine Roboter sich verhaken, eine Aufgabe erledigen und sich danach wieder lösen", sagte Pezeshki.
Er wies sogar darauf hin, dass das ein bisschen an den T-1000 aus Terminator 2 erinnert — den flüssigen Metallroboter, der sich verflüssigen kann, um unter Türen durchzuschlüpfen, und sich auf der anderen Seite wieder formt. (Ich liebe die Vorstellung, dass in einem echten wissenschaftlichen Paper irgendwann Terminator erwähnt wurde.)
Die Natur macht das schon längst
Hier wird die Forschung noch faszinierender: Verhakelung ist keine menschliche Erfindung. Die Natur nutzt dieses Prinzip seit Millionen von Jahren.
Vogelnester sind das perfekte Beispiel. Jeder Zweig und jede Faser ist für sich genommen schwach. Aber zusammengeflochten entsteht eine überraschend stabile Struktur. Genauso funktionieren unsere Knochen — harte Mineralien verheddert mit weicheren Proteinen ergeben etwas, das sowohl stark als auch widerstandsfähig ist.
Das Team aus Colorado hat dieses Prinzip im Grunde rückwärts entwickelt, herausgefunden, welche Form von Baustein es am besten funktionieren lässt — und jetzt schauen wir auf die Möglichkeit, Materialien mit denselben Eigenschaften zu konstruieren.
Fazit
Bis wir diese Technologie tatsächlich in Gebäuden oder Robotern sehen, wird es vermutlich noch Jahre dauern. Aber die grundlegende Entdeckung — dass klammerförmige Partikel Materialien mit dieser bemerkenswerten Kombination aus Festigkeit, Zähigkeit und Reversibilität erzeugen können — ist absolut bedeutsam.
Manchmal kommen die revolutionärsten Materialien nicht aus exotischen Chemikalien oder komplexen Herstellungsprozessen. Manchmal entstehen sie einfach dadurch, dass man die Form eines Bausteins neu durchdenkt.
Ich kann jedenfalls kaum erwarten, wohin das führt.
Quelle: ScienceDaily