Metamaterial mit Dreheffekt

Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben mittels 3D-Druckern für den Mikrobereich ein Metamaterial aus würfelförmigen Bausteinen erschaffen, das auf Druckkräfte mit einer Rotation antwortet. Das ausgeklügelte Design aus Streben und Ringstrukturen sowie die zugrundeliegende Mathematik stellen die Wissenschaftler in der renommierten Fachzeitschrift Science vor.

Übt man Kraft von oben auf einen Materialblock aus, dann deformiert sich dieser in unterschiedlicher Weise. Er kann sich ausbuchten, zusammenstauchen oder knicken. Drehen wird er sich nach den geltenden Regeln der Mechanik aber nicht, so KIT-Professor Martin Wegener. Seinem Mitarbeiter Tobias Frenzel und Kollegen ist es nun jedoch gelungen, eine filigrane Würfelstruktur zu entwerfen, die auf Belastung mit einer Rotation um die eigene Achse reagiert.

Zunächst haben die Experten per Computersimulation ein Design erarbeitet, das eine solche, bisher nicht beschriebene mechanische Eigenschaft aufweist. "Unsere Berechnungen zeigten, dass wir mit einer durchdachten chiralen Struktur das gewünschte Ergebnis erzielen - also einem Körper, dessen Bild und Spiegelbild nicht deckungsgleich sind - in etwa wie bei der linken und rechten Hand", betont Wegeners Kollege und Erstautor der Studie, Tobias Frenzel.

3D-Mikro-Druckmethode

Die von Frenzel und seinem Team errechneten Würfel bestehen aus Streben und Ringen, die nach einem bestimmten Muster verbunden sind. Die Arme, welche die Ringstrukturen mit den Ecken des Würfels verbinden, bewegen sich bei Belastung in der Senkrechten nach unten. Diese Bewegung führt zu einer Rotation der Ringe. Diese rotierenden Bewegungen übertragen wiederum Kräfte auf die Ecken der waagerechten Flächen des Würfels, so dass sich der gesamte Körper um die eigene Achse zu drehen beginnt.

Anschließend stellte das Team mit einer am KIT etablierten 3D-Mikro-Druckmethode Türme aus ebendiesen Würfelstrukturen in unterschiedlichen Größen, Stärken und Stückzahlen her. Die Kantenlänge der Würfel maß zwischen 100 und 500 Mikrometer. Sie konstruierten daraus Türme welche aus vier bis 500 Würfeln zusammengesetzt waren und zwei Millimeter Höhe aufwiesen. Um ihre Theorie zu überprüfen, produzierten sie die gleichen Türme aus achiralen Würfeln, solchen also, deren Bild und Spiegelbild übereinstimmen.

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