Ein multidisziplinäres Team von Forschern der Penn Engineering, der Harvard University, der Duke University, der University of California Berkeley und des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hat eine neue Methode für den 3D-Druck von cholesterischen Flüssigkristall-Elastomeren (CLCEs) entwickelt, die den Weg zu dynamischen, farbwechselnden Materialien ebnet, die auf mechanische Belastungen reagieren können. Diese Arbeit kombiniert fortschrittliche Drucktechniken mit einzigartigen Materialeigenschaften und ebnet den Weg für neue Anwendungen in den Bereichen intelligente Sensorik, Displays, Robotik und darüber hinaus. Im Mittelpunkt dieses Fortschritts stehen CLCEs – weiche, gummiartige Materialien, die bei mechanischer Beanspruchung ihre Farbe ändern können.
„Die Farbveränderungen werden durch die Fähigkeit des Materials verursacht, das Licht zu manipulieren, ähnlich wie ein Käferpanzer das Licht reflektiert, um ein farbenfrohes Display zu erzeugen“, sagt Shu Yang, Joseph Bordogna Professor und Lehrstuhlinhaber für Materialwissenschaft und -technik (MSE) und leitender Forscher der Arbeit. „Diese Materialien haben das Potenzial, industrielle Probleme in den Bereichen Medizin, Diagnostik und Überwachung zu lösen und können sogar in der Kunst eingesetzt werden. Mein Labor arbeitet mit diesen reaktionsfähigen Materialien, um neue Wege zur Beobachtung und Interaktion mit der Welt um uns herum zu entdecken.“
Mit 3D-Druck neue Wege beschreiten
Bisher waren CLCEs auf flache 2D-Filme beschränkt, wie sie in Flüssigkristallbildschirmen (LCD) und Monitoren verwendet werden. Diese lichtinteraktiven Materialien in die dritte Dimension zu bringen, würde die Türen für weitere Anwendungen öffnen. Im Mittelpunkt der Entwicklung des Teams steht eine neuartige 3D-Drucktechnik, das so genannte Coaxial Direct Ink Writing (DIW), das den präzisen Druck von multistabilen, farbwechselnden Strukturen ermöglicht.
„Es ist erfreulich zu sehen, dass die koaxiale DIW-Methode, die wir vor mehr als einem Jahrzehnt gemeinsam mit Forschern des LLNL entwickelt haben, auf CLCEs angewendet wird“, sagt Jennifer Lewis, Wyss-Professorin für biologisch inspiriertes Ingenieurwesen an der Paulson School of Engineering and Applied Sciences und am Wyss Institute der Harvard University.
Bei der Umwandlung von 2D-Strukturen in 3D-Strukturen werden die Dinge jedoch ein wenig kompliziert. In diesem Fall ist der flüssige Vorläufer der CLCE so zähflüssig, dass er, wenn er durch eine 3D-Druckdüse gepresst wird, die Bildung der verdrehten Helixstrukturen behindert, die für die farbverändernden Eigenschaften der CLCEs verantwortlich sind.
Um dieses Problem zu lösen, machten sich Alicia Ng, Doktorandin in MSE und Hauptautorin der Studie, und ihre Kollegen daran, die perfekte Viskosität für CLCE zu finden: dick genug, um die strukturelle Integrität des fertigen Produkts zu erhalten, aber nicht zu dick, damit das Material leicht durch eine Druckdüse fließen kann. Der Schlüssel zur Verbesserung des Prozesses war ein völlig anderes Material, nämlich Silikon, das bei ihrer Technik eine entscheidende Rolle spielte. „Wir haben eine transparente Silikonhülle entwickelt, die als Gerüst für den CLCE-Kern dient“, sagt Ng. „Diese einzigartige Materialkombination ermöglichte es uns, die farbverändernden Eigenschaften der CLCEs zu erhalten und gleichzeitig die notwendige strukturelle Festigkeit für komplizierte 3D-Designs zu gewährleisten.“
Vielfältige Anwendungen
„Wir können uns vorstellen, diese Materialien für die Entwicklung von Geräten zu verwenden, die visuelles Feedback in Echtzeit geben, sei es in tragbarer Form oder eingebettet in eine größere Struktur“, sagt Yang. „Damit könnten wir mechanische Belastungen auf eine Weise beobachten, die mit herkömmlichen Materialien bisher nicht möglich war.“
Neben der Gesundheitsfürsorge, zum Beispiel einem intelligenten Wickel, der anzeigt, wenn ein Gelenk oder ein Körperteil anschwillt, erforscht das Team, wie diese farbwechselnden Materialien in verschiedene Systeme integriert werden können, die auf Veränderungen in der Umgebung reagieren, von der Robotik über interaktive Kunst bis hin zu Umweltsensoren. „Robotergreifer, die sich öffnen und schließen lassen, Metamaterialplatten, die mechanische Belastungen passiv erfassen und aufzeichnen können, und mechanische Logiksysteme, die ohne herkömmliche Elektronik rechnen können, sind nur einige Bereiche, in denen CLCEs zu neuen Technologien beitragen können“, sagt Katherine Riley, Maschinenbauingenieurin am LLNL.
Der Weg in die Zukunft: Mehr als farbwechselnde Materialien
Mit Blick auf die Zukunft erforscht das Forschungsteam Möglichkeiten, CLCEs mit temperatur- oder lichtempfindlichen Materialien zu kombinieren, um Materialien zu schaffen, die ihre Farbe als Reaktion auf eine Vielzahl von Reizen ändern. Außerdem wollen sie die Natur nutzen, um diese Materialien umweltfreundlicher zu machen. „Wir könnten Elemente aus Biofilmen einbeziehen. Damit könnten wir selbstbauende, regenerative Strukturfarben schaffen, die sowohl umweltfreundlich als auch funktional sind“, sagt Yang.
Was das Design anbelangt, so hat das Team bereits verschiedene Strukturen gedruckt, darunter Gitter, Umwicklungen und Filamente, und es ist bestrebt, noch komplexere Designs zu erforschen. Mit der Möglichkeit, direkt auf gekrümmte Oberflächen, wie zum Beispiel Körperteile, zu drucken, stellt sich das Team tragbare Geräte vor, die sich nahtlos an die Form des Benutzers anpassen.
„Mit Blick auf die Zukunft erweitern wir diese Forschung im Rahmen einer strategischen Initiative des LLNL für laborgeleitete Forschung und Entwicklung (LDRD SI), die darauf abzielt, das Design und die Herstellung komplexer Architekturen mit automatisiertem Materialtraining zu kombinieren, um ,empfindungsfähige‘ Materialien zu entwickeln“, sagt Elaine Lee, LLNL-Ingenieurin und Absolventin von Penn Engineering.
„Diese CLCE-Materialien könnten eine entscheidende Rolle bei der schnellen Iteration neuer Designs durch Fernerkennung in Verbindung mit automatisierten Messtechniken auf der Maschine, wie zum Beispiel der digitalen Bildkorrelation, spielen“, fügt Caitlyn Cook Krikorian, Leiterin der Gruppe Functional Architected Materials Engineering (FAME) und stellvertretende Direktorin des Center of Engineered Materials and Manufacturing (CEMM) am LLNL hinzu.
