Experimente im Caltech-Labor von Chiara Daraio, G. Bradford Jones-Professorin für Maschinenbau und Angewandte Physik und Forscherin am Heritage Medical Research Institute, haben eine faszinierende neue Art von Materie hervorgebracht, die weder körnig noch kristallin ist und auf bestimmte Belastungen wie eine Flüssigkeit reagiert und für andere wie ein Feststoff. Das neue Material, bekannt als PAM (für Polycatenated Architected Materials), könnte in Bereichen eingesetzt werden, die von Helmen und anderer Schutzausrüstung bis hin zu biomedizinischen Geräten und Robotik reichen.
PAMs kommen in der Natur nicht vor, ihre Grundform ist uns jedoch durch die Jahrtausende alte Herstellung von Kettenhemden bekannt: kleine Metallringe, die zu einem Netz verbunden sind und am häufigsten als flexible Form der Rüstung verwendet werden. PAMs sind jedoch wie Kettenhemden auf Steroiden. PAMs folgen dem Grundprinzip ineinandergreifender Formen, wie sie in einer Kette vorkommen, und bestehen aus einer Vielzahl von Formen, die zu dreidimensionalen Mustern verbunden sind, deren Konfigurationen nahezu unvorstellbar variabel sind. Die resultierenden Materialien, die Daraio und ihre Kollegen mit 3D-Druckern gerendert haben, weisen Verhaltensweisen auf, die bei anderen Arten von Materialien nicht zu finden sind.
Wenjie Zhou, Postdoktorand und wissenschaftlicher Mitarbeiter im Maschinenbau und Bauingenieurwesen, arbeitet seit zwei Jahren in Daraios Labor an dieser Art von Materialien. „Ich war Chemiker und wollte diese Strukturen auf molekularer Ebene herstellen, aber das erwies sich als zu schwierig. Um Antworten auf meine Fragen zum Verhalten dieser Strukturen zu erhalten, beschloss ich, mich Chiaras Gruppe anzuschließen und PAMs zu studieren einen größeren Maßstab.“
Die von Daraios Gruppe erstellten und untersuchten PAMs wurden zunächst am Computer modelliert und sollten die in kristallinen Substanzen vorkommenden Gitterstrukturen nachbilden, wobei jedoch die festen Partikel des Kristalls durch verschlungene Ringe oder Käfige mit mehreren Seiten ersetzt wurden.
Diese Gitter wurden dann dreidimensional aus verschiedenen Materialien ausgedruckt, darunter Acrylpolymere, Nylon und Metalle. Sobald die PAMs in der Hand gehalten werden konnten – die meisten Prototypen sind 5-Zentimeter-Würfel oder Kugeln mit einem Durchmesser von 5 Zentimetern –, wurden sie verschiedenen körperlichen Belastungen ausgesetzt. „Wir begannen mit der Kompression“, erklärt Zhou, „wobei wir die Objekte jedes Mal etwas stärker komprimierten. Dann versuchten wir es mit einer einfachen Scherung, einer seitlichen Kraft, wie man sie anwenden würde, wenn man versuchen würde, das Material auseinanderzureißen. Schließlich haben wir es geschafft.“ Rheologietests, um zu sehen, wie die Materialien auf Verdrehungen reagierten, zuerst langsam und dann schneller und stärker.“
In einigen Szenarien verhielten sich diese PAMs wie Flüssigkeiten. „Stellen Sie sich vor, Sie üben eine Scherspannung auf Wasser aus“, sagt Zhou. „Es gäbe keinen Widerstand. Da PAMs über alle diese koordinierten Freiheitsgrade verfügen und die Ringe und Käfige, aus denen sie bestehen, wie die Glieder einer Kette gegeneinander gleiten, haben viele von ihnen nur einen sehr geringen Scherwiderstand.“ Wenn diese Strukturen jedoch komprimiert werden, können sie völlig starr werden und sich wie Feststoffe verhalten.
Diese Dynamik macht PAMs einzigartig. „PAMs sind wirklich eine neue Art von Materie“, sagt Daraio. „Wir alle haben eine klare Unterscheidung im Sinn, wenn wir an feste Materialien und körnige Materie denken. Feste Materialien werden oft als kristalline Gitter beschrieben. Dies ist, was man in den klassischen Kugel-Stab-Modellen von atomaren, chemischen oder größeren kristallinen Stoffen sieht.“ Es sind diese Materialien, die unser herkömmliches Verständnis von Feststoffen geprägt haben. Die andere Klasse von Materialien ist körnig, wie wir sie in Substanzen wie Reis, Mehl oder gemahlenem Kaffee sehen. Diese Materialien bestehen aus einzelnen Partikeln, die sich frei bewegen können und relativ dazu gleiten einander.“
PAMs entziehen sich dieser binären Klassifizierung. „Bei PAMs sind die einzelnen Partikel wie in kristallinen Strukturen miteinander verbunden, und doch fließen diese Partikel, weil sie sich frei relativ zueinander bewegen können, sie gleiten übereinander und ändern ihre relativen Positionen, noch mehr.“ wie Sandkörner“, erklärt Daraio. „PAMs können sehr unterschiedlich sein. Sie können sie in matschigen oder harten Materialien drucken. Sie können die Form jedes Partikels ändern und Sie können das Gitter ändern, das Sie zum Verbinden dieser Partikel verwenden. Jeder dieser Parameter wirkt sich auf das aus Aber alle zeigen einen charakteristischen Übergang zwischen flüssigem und festem Verhalten. Dieser Übergang kann unter verschiedenen Umständen stattfinden, aber er geschieht immer.
„Architekturmaterialien waren in den letzten 20 bis 30 Jahren ein bedeutendes Teilgebiet der Materialwissenschaft und -technik“, sagt Daraio. „Aber als Hybride zwischen körnigen Materialien und elastisch verformbaren Materialien sind PAMs aufregend und neu. Wir haben Theorien zur Beschreibung körniger Materie und Theorien zur Beschreibung elastisch verformbarer Materie, aber nichts, was diese Zwischenmaterialien einfängt. Es ist eine faszinierende Grenze, die das verspricht.“ Definieren Sie neu, was Materialien sind und wie sie sich verhalten.
Zu diesem Zeitpunkt sind mögliche Verwendungsmöglichkeiten für PAMs weitgehend spekulativ, aber dennoch faszinierend, sagt Daraio: „Diese Materialien haben einzigartige Energieabsorptionseigenschaften. Da jedes Element relativ zueinander gleiten, rotieren und sich neu organisieren kann, können sie Energie sehr effizient ableiten.“ Damit eignen sie sich besser für den Einsatz in Helmen oder anderen Schutzausrüstungen als die derzeit verwendeten Schäume. Diese Eigenschaft macht sie gleichermaßen attraktiv für den Einsatz in Verpackungen oder in allen Umgebungen, in denen Polsterung oder Stabilisierung erforderlich ist.
Experimente mit PAMs im Mikromaßstab haben gezeigt, dass sie sich als Reaktion auf angelegte elektrische Ladungen sowie physikalische Kräfte ausdehnen oder zusammenziehen, was auf mögliche Anwendungen in biomedizinischen Geräten oder Soft-Robotik hindeutet.
Co-Autor Liuchi Li (PhD ’20), jetzt Assistenzprofessor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Princeton University, ist von der Zukunft von PAMs begeistert: „Wir können uns vorstellen, fortschrittliche Techniken der künstlichen Intelligenz zu integrieren, um die Erforschung dieses riesigen Designraums zu beschleunigen.“ Wir kratzen nur an der Oberfläche dessen, was möglich ist.“
Diese Forschung ist veröffentlicht in Wissenschaft unter dem Titel „3D polykatenierte Architekturmaterialien“. Zu den Co-Autoren gehören Zhou, Daraio, Sujeeka Nadarajah, Hujie Yan (MS ’24), Aashutosh K. Prachet und Payal Patel von Caltech; Li von der Princeton University; und Anna Guell Izard und Xiaoxing Xia (PhD ’19) vom Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Die Rechenressourcen wurden vom High-Performance Computing Center am Caltech bereitgestellt und die Forschung wurde vom Army Research Office, dem Gary Clinard Innovation Fund, LLNL und dem US-Energieministerium finanziert.
