Hüpfende, lärmende Kristalle als Basis für künstliche Muskeln

26. Juni 2017, 09:58
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Forscherteam analysiert spezielle Art von organischen Kristallen, die Wärme rasch in Bewegung umwandeln

Stuttgart – Manche organische Kristalle zeigen sich überaus beweglich, wenn sie erhitzt werden. Ursache für das agile umherhüpfen ist ein extrem rascher Wechsel ihrer Kristallstruktur. Ein internationales Forscherteam konnte nun nachweisen, dass diese Kristalle während des Vorgangs auch akustische Signale aussenden, die sich nutzen lassen, um die Charakteristika des Phänomens zu analysieren.

Martensit, eine Stahlform, die beim Abschrecken von Austenit-Stahl entsteht, ist Namensgeber für diese Art Phasenumwandlung. Durch die rasche Abkühlung können sich die Atome nicht in die bei dieser Temperatur bevorzugte Struktur umsortieren. Sie führen stattdessen eine gemeinsame Bewegung aus, bei der das Martensitgitter entsteht. Auch bei den hüpfenden Kristallen wechselt offenbar eine große Zahl von Atomen konzertiert den Gitterplatz.

Basis für künstliche Muskeln

Die hohe Geschwindigkeit des Phänomens und die Tatsache, dass die Kristalle häufig explodieren, machte einen Beweis der Theorie, eine Aufklärung der Details – und damit eine Nutzung des sog. thermosalienten Effekts bisher unmöglich. Dabei könnte die Fähigkeit der Hüpf-Kristalle, Wärme sehr rasch in Bewegung oder Arbeit umzusetzen, möglicherweise für künstliche Muskeln oder Mikroroboterarme genutzt werden.

Ausgehend von der Vermutung, dass die plötzliche Freisetzung der angesammelten elastischen Spannung in Hüpf-Kristallen relativ starke akustische Wellen erzeugt, ähnlich wie seismische Wellen vor einem Erdbeben, rückte das Team von der New York University Abu Dhabi, dem Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) in Hamburg sowie dem Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart dem Phänomen zu Leibe. Als Forschungsobjekt wählten die Forscher um Panče Naumov die pflanzliche Aminosäure L-Pyroglutaminsäure (L-PGA). Diese Hüpf-Kristalle ändern ihre Kristallform beim Erhitzen zwischen etwa 65 und 67 Grad Celsius, beim Abkühlen gehen sie zwischen 55,6 und 53,8 Grad Celsius in die Ausgangsstruktur zurück, wie Röntgenkristallographie mit Synchrotronstrahlung belegte.

Anfangs lauter

Wie vermutet, erzeugen die Kristalle während der Umwandlung deutliche akustische Signale, die mit einem piezoelektrischen Sensor registrierbar sind. Anzahl, Amplitude, Frequenz und Form gaben den Forschern Hinweise zu Dynamik und Mechanismen des Effekts. So waren die Stärke und Energie der ersten akustischen Welle deutlich höher, die Anstiegszeit kürzer als bei den folgenden. Grund ist die effizientere Ausbreitung der elastischen Welle durch das defektfreie Medium zu Anfang des Phasenübergangs. Mit fortschreitender Umwandlung nimmt die Zahl der Mikrorisse zu. Dadurch wird elastische Spannungsenergie abgebaut.

Die Phasengrenze zwischen den Kristallformen schreitet in L-PGA mit 2,8 Medter pro Sekunde voran, einige tausend Mal schneller als bei anderen Phasenübergängen. Dabei sind sich die beiden Kristallstrukturen ähnlicher als erwartet: Während der Umwandlung finden Expansionen in zwei Raumrichtungen und eine Kontraktion in der dritten statt, die aber alle im Bereich von nur 0,5 bis 1,7 Prozent liegen.

Weniger Unterschiede als gedacht

"Unsere Studie belegt, dass die Hüpf-Kristalle eine Materialklasse analog zu anorganischen Martensiten sind. Dis könnte von enormer Bedeutung für Anwendungen wie vollständig organische Elektronik sein", so Naumov. "Akustische Emissionstechniken liefern endlich direkte Einblicke in diese raschen Übergänge. Unsere Ergebnisse sprechen dafür, dass organische Materialien, die normalerweise als weich und zerbrechlich wahrgenommen werden, und härtere Stoffe, wie Metalle und Legierungen, zumindest auf der molekularen Ebene gar nicht so unterschiedlich sind. Die Erforschung organischer Festkörper könnte ein besseres Verständnis für die damit verbundenen makroskopischen Effekte eröffnen." (red, 26.6.2017)

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