TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

Licht, UV, Infrarot und Laser (V)

Weiter mit der allgemeinen Chronologie: In einer Arbeit, die im März 2016 veröffentlicht wird, zeigt ein Team um die Forscherin Prof. Michal Lipson von der Cornell University und Shanhui Fan von der Stanford University einen mit Hilfe von Licht funktionierenden, starken und berührungslosen Wärmeübertragungskanal mit Leistungen, die zu einer Stromerzeugung mit hohem Wirkungsgrad führen könnten. Die Studie trägt den Titel ,Near-field radiative heat transfer between parallel structures in the deep subwavelength regime’.

Die Nahfeld-Thermophotovoltaik (NFTPV) ist ein vielversprechender Ansatz für die direkte Umwandlung von Wärme in elektrischen Strom. Das Team hatte bereits im November 2014 die Arbeit ,Demonstration of strong near-field radiative heat transfer between integrated nanostructures’ veröffentlicht, in welcher eine Plattform für die Nahfeld-Wärmeübertragung auf dem Chip demonstriert wird.

Um die Übertragung zwischen zwei parallelen Objekten bei einer nanoskaligen Entfernung unterhalb von 100 nm mittels Licht zu erreichen, werden nun maßgeschneiderte, ultrahochpräzise mikroelektromechanische Systems (MEMS) verwendet, welche den Abstand zwischen den Objekten steuern.

Das Team belegt, daß die Wärmeübertragung zwischen zwei Objekten, die einander sehr nahe sind ohne sich aber zu berühren, dadurch fast 100 mal stärker ist als der Wert, der durch herkömmliche Wärmestrahlungsgesetze (Schwarzkörperstrahlung) vorhergesagt wird. Dabei können die Wissenschaftler diesen Versuch für Temperaturunterschiede von bis zu 260°C erfolgreich wiederholen. Letztlich bedeutet dies, daß sich ein Wärmestrom mit vielen jener Techniken steuern läßt, die für die Manipulation von Licht eingesetzt werden.

Die Ergebnisse implizieren, daß Licht zukünftig zu einem dominierenden Wärmeübertragungskanal werden könnte, wo die Wärme bislang hauptsächlich durch Leitung (Berührung) oder Konvektion ausgetauscht wurde. Und im Gegensatz zu anderen Teams, welche diese Form der Wärmeübertragung mit Licht schon zuvor auf der Nanoskala unter Beweis gestellt hatten, ist das Cornell-Team das erste, das dabei Leistungen erreicht, die für reale Energieanwendungen verwendet werden könnten, wie zum Beispiel die direkte Umwandlung von Wärme aus Photovoltaik-Zellen in Strom.

Im März 2017 folgt die Studie ,Hot Carrier-Based Near-Field Thermophotovoltaic Energy Conversion’, und im November ,High-performance near-field thermophotovoltaics for waste heat recovery’, wo ein leistungsstarkes Nahfeld-TPV für die Abwärmerückgewinnung beschrieben wird, das eine Leistung von bis zu 31 W/cm² und einen Wirkungsgrad von 40 % erreicht.

Die Arbeiten werden von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), dem Fonds de recherche du Québec Nature et Technologies (FRQNT) und dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) gefördert.

Ebenfalls im März 2016 verlautet aus dem Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) in Australien, daß Forscher um Prof. Rajesh Ramanathan eine Beschichtung entwickelt haben, mit der sich Stoffe selbst reinigen, sobald sie mit Licht in Kontakt kommen. Bei ihrer Methode wird der Stoff in mehrere Lösungen getaucht, die dazu führen, daß auf den Fasern eine auf Silber und Kupfer basierende Nanobeschichtung wächst. Bis die Beschichtung vollständig ist, dauert es gut 30 Minuten.

Sobald diese von natürlichem oder auch künstlichem Licht getroffen wird, entstehen sogenannte heiße Elektronen, die Energie emittieren, welche organisches Material auflöst. Die Reinigung nimmt nur knapp sechs Minuten in Anspruch – sodaß ein kurzer Spaziergang im Sonnenschein ausreichen würde, um z.B. das Hemd zu reinigen, das man dabei trägt.

Die Methode ist günstig, effizient und könnte auch leicht in industriellen Herstellungsverfahren umgesetzt werden: Sie funktioniert allerdings nur bei organischen Verunreinigungen, ein mit Druckertinte verschmutztes Hemd muß daher noch immer in die klassische Waschmaschine wandern. Es läßt sich aber nichts darüber finden, daß dieser Ansatz später weiterverfolgt wurde.

Eine dritte Meldung im März 2016 stammt aus Japan. Ihr zufolge haben Forscher des Osaka Institute of Technology (OIT) um Prof. Syuji Fujii, die bei diesem Projekt mit Kollegen der Asahikawa Medical University sowie des deutschen Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz zusammenarbeiten, kleine schwarze Kugeln vorgestellt, welche die Kraft von kurzen Laser-Pulsen nutzen, um mit einer Geschwindigkeit von einigen Zentimetern pro Sekunde über eine Wasseroberfläche zu flitzen, wobei sie zudem noch Massen bis zum 150-fachen ihres Eigengewichts mit sich ziehen können.

Zur Herstellung der Mikrokugeln setzen die Forscher einen Wassertropfen auf eine von zwei pulvrigen Substanzen (Ruß bzw. Polypyrrol) und lassen ihn etwas hin und her rollen. Sofort bildet sich um den Tropfen eine hauchdünne und dennoch wasserdichte Schicht. Stabilisiert werden die flüssigen Murmeln mit bis zu 3 mm Durchmesser durch die abstoßenden Kräfte zwischen Wasser und Pulver. Dank der Oberflächenspannung schwimmen die Murmeln auf einer Wasserschicht.

Werden sie nun von einer Seite mit kurzen Pulsen eines Infrarotlasers (808 nm Wellenlänge, 200 mW Leistung) beleuchtet, erhitzt sich die Hülle aus Ruß oder Polypyrrol einseitig schnell auf bis zu 1.000°C. Dadurch setzen sich die Kugeln in Bewegung und driften mit bis zu 3 cm/s vom Laserstrahl weg. Verantwortlich für diesen Effekt ist ein Unterschied in der Oberflächenspannung des kühlen Wassers vor der Kugel im Vergleich zum auf 30°C erwärmten Wasser auf der angestrahlten Kugelseite.

Bei dem Versuch, ein winziges ,Boot’ anzutreiben, gelingt es den selbst nur 9 mg wiegenden Kugeln ein Gewicht von 1,4 g vorwärts zu schieben, ebenfalls mit bis zu  3 cm/s. Die Mikrokugeln eignen sich zudem als Transportcontainer für flüssige Arzneien oder Chemikalien, die in Zukunft in der Medizin oder der chemischen Industrie genutzt werden könnten. Stärkere oder etwas längere Laserpulse senkrecht von oben lassen sie nämlich platzen, um ihre Fracht an der gewünschten Stelle zu entladen. Trotz diesem Potential ist später nichts mehr darüber zu finden.

Im Mai 2016 folgt der Bericht eines britischen Teams um Prof. Jeremy John Baumberg und Tao Ding  am Cavendish Laboratory der University of Cambridge, das einen Nanoantrieb entwickelt hat, dessen Prototyp den Namen ANT bekommt, was die Abkürzung von ,Actuating Nano-Transducer’ ist – und gleichzeitig auf ,Ameise’ anspielt.

Der Prototyp besteht aus mikroskopisch kleinen geladenen Goldbällchen, die in einem speziellen Polymer-Gel eingelagert sind. Oberhalb einer kritischen Temperatur sind Gold und Polymer intramolekular fest miteinander verbunden. Fällt die Temperatur allerdings unter die vorgegebene kritische Grenze, nimmt das Polymer aus seinem Umfeld Wasser auf, dehnt sich aus und sprengt die Goldbällchen in einer Millionstel Sekunde explosionsartig ab.

Dieser Vorgang läßt sich aber auch rückgängig machen: Steigt die Temperatur wieder auf den kritischen Wert, stößt das Polymer das Wasser aus und zieht die Goldbällchen wieder an. Dies wirkt wie ein Federmechanismus, der elastische Energie speichert. Die kritische Temperatur kann dabei durch Veränderung des Polymers im Voraus festgelegt werden – für medizinische Zwecke beispielsweise bei der Körpertemperatur von 37°C.

Die Temperatur selbst läßt sich auf verschiedenen Wegen verändern, wobei der Prototyp mit einem Laserlicht gesteuert wird. Die Forschung wird vom Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) sowie dem Europäischen Forschungsrat (ERC) gefördert. Das Team sucht bereits nach Partnern für eine industrielle Nutzung der neuen Technik - die einmal mehr als „der Welt kleinster Motor“ angepriesen wird. Von dem danach aber nichts mehr zu hören ist.

Forscher der Washington State University um Prof. Michael R. Kessler haben einer im Juni 2016 veröffentlichen Studie zufolge nach jahrelanger Forschung einen funktionalen Polymer aus drei Funktionsbausteinen entwickelt, der auf Licht und Hitze reagiert und in der Lage ist, sich entsprechend zu verformen und zusammen- und auseinanderzufalten.

Hierfür wird zunächst eine Flüssigkristallverbindung gewählt, die auf Temperaturveränderungen reagiert und in der Lage ist, sich auszudehnen und wieder zusammenzuziehen. Die Verbindung wird anschließend in Azobenzol getaucht, das auf Licht reagiert und sich entweder zu diesem hin orientiert oder davon abwendet. Wie das Material reagiert, hängt dabei von der Wellenlänge des Lichts ab. Um das Ganze auch wieder aufbereitbar machen zu können, wird noch eine dynamische chemische Verbindung hinzugefügt (dynamic covalent bonds).

Alle drei Funktionsbausteine zeigen eine gute Verträglichkeit und das resultierende Material zeigt verschiedene photomechanische, Formgedächtnis- und selbstheilende Eigenschaften. Bei den Versuchen wird festgestellt, daß sich das neuartige Material bei blauem Licht biegt und bei UV-Licht ausbreitet. Wird das Material Hitze ausgesetzt, fügt es sich wieder zusammen.

Im Juli 2016 melden Forscher der Hokkaido University in Japan, daß sie aus der organischen Verbindung Azobenzol sowie aus Ölsäure einen kristallinen Mikro-Roboter hergestellt haben, der sich unter dem Einfluß von blauem Licht bewegt. Unter dem Mikroskop ist zu beobachten, wie es zu oszillierenden Bewegungen der Kristalle kommt, sobald diese blauem Licht ausgesetzt werden. Je stärker die Intensität des Lichts, desto ausgeprägter sind die Oszillationen.

Als die Wissenschaftler um Yoshiyuki Kageyama die Konstruktion in Wasser legen, zeigt diese eine dem Schwimmen ähnliche Bewegung. Unter den richtigen Bedingungen können die winzigen Roboter dazu gebracht werden, in jede beliebige Richtung zu schwimmen. Konkrete Pläne zur Kommerzialisierung der Roboter gibt es noch nicht.

Im gleichen Monat berichtet ein Team von Chemikern der Humboldt-Universität zu Berlin und der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden um Michael G. Debije von der Entwicklung dünner Plastikfilme, die sich im Sonnenlicht kontinuierlich bewegen.

Zu ihrer Herstellung werden von den Forschern entwickelte Tetrafluorazobenzol-Farbstoffe, die in grünem bzw. blauem Licht effizient ihre Form ändern, in Flüssigkristallen angeordnet, die anschließend durch eine Polymerisation in dünnen Plastikfolien fixiert werden, welche sich im Sonnenlicht biegen und chaotisch hin und her schwingen.

Durch Variation wichtiger Systemparameter finden die Forscher heraus, daß die Auslenkung der Plastikfilme sowohl von der Intensität als auch von der Wellenlänge des Lichts abhängt und nur im Falle gleichzeitiger Bestrahlung mit beiden Farben, d.h. grün und blau, eintritt. Im Ergebnis kann durch ,einfaches’ Sonnenlicht, d.h. ohne zusätzliche künstliche Lichtquellen, eine makroskopische Bewegung erzeugt werden. Warum der Kunststoff dies tut, können die Forscher noch nicht ganz erklären - und werden es deshalb weiter untersuchen.

Neben der Entwicklung von autonomen sonnenlichtgetriebenen Nano- und Mikromaschinen prognostizieren die Wissenschaftler alltagstaugliche praktische Anwendungen, wie z.B.  selbstreinigende Oberflächen von Fenstern oder Solar-Paneelen, was besonders bei Anlagen in Wüstengebieten sehr sinnvoll wäre.

Im Juni 2017 präsentiert das Team der Technischen Universität Eindhoven, das diesmal von Prof. Dick J. Broer geleitet wird und Kollegen der Kent State University in den USA umfaßt, die „weltweit erste Maschine, die Licht direkt in Gehen umwandelt“. Das büroklammergroße Gerät besteht aus einem Streifen aus Flüssigkristallpolymer, der der Länge nach in einem rechteckigen Rahmen angebracht ist. Da der Rahmen kürzer ist als der Streifen, hat das Polymer an einem Ende einen Buckel und am anderen Ende eine Senke.

Wenn violettes Licht von der Seite, auf der sich der Buckel befindet, auf das Gerät fällt, wird es vom Buckel absorbiert - und die Einbuchtung vom diesem abgeschattet, so daß sie kein Licht empfängt. Lichtempfindliche Moleküle im Polymer bewirken, daß sich das Material im Buckel auf der einen Seite ausdehnt, während es sich auf der anderen Seite zusammenzieht. Dadurch verformt sich der Buckel nach unten und wird zu einer Senke, während das andere Ende des Streifens (das vorher eine Vertiefung war) sich nach oben zu einem Buckel wölbt, usw.

Auf diese Weise wird der Streifen kontinuierlich von einer Welle durchlaufen, die das Gerät dazu bringt, sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,5 cm/s von der Lichtquelle wegzubewegen - etwa so schnell wie eine Raupe. Um sich auf die Lichtquelle zuzubewegen, muß der Mechanismus nur umgedreht werden. In Labortests ist das Gerät in der Lage, Objekte zu transportieren, die größer und schwerer sind als es selbst, und das auch noch bergauf.

Das Polymer könnte auch in Solarzellen zum Einsatz kommen, als wellenförmige transparente Oberflächenschicht, die Staub und Schmutz abhält. Debije und Broer hatten bereits 2006 mehrere Patente gemeinsam (und mit weiteren Kollegen) im Bereich der ,luminescent objects’ eingereicht z.B. im September 2012 die Studie ,Increased efficiency of luminescent solar concentrators after application of organic wavelength selective mirrors’ veröffentlicht.

Ebenfalls im Juli 2016 geben Experten der Griffith University um Prof. Qin Li bekannt, daß sie neue Möglichkeiten für die Lichtsammlung entdeckt hätten, die sich durch eine Verengung der Bandlücke von Titandioxid und Graphen-Quantenpunkten ergeben.

Die Forscher haben zum ersten Mal einen quantenbegrenzten Mechanismus zur Verengung der Bandlücke gefunden, bei dem die UV-Absorption durch die Graphen-Quantenpunkte und TiO₂-Nanopartikel leicht in den sichtbaren Lichtbereich hinein erweitert werden kann. Ein solcher Mechanismus kann die Entwicklung einer kompletten neuen Klasse von Verbundwerkstoffen für die Lichtsammlung und Optoelektronik ermöglichen.

Als noch wichtiger wird bewertet, daß damit ein einfacher Weg gefunden wurde, um ein UV-absorbierendes Material auch für sichtbares Licht empfänglich zu machen. Immerhin macht das sichtbare Licht 43 % der Sonnenenergie aus – im Vergleich zu nur 5 % UV-Licht. Praktische Umsetzungen der Entdeckung wären hocheffiziente Solarzellen sowie die Wasserreinigung unter Verwendung von Sonnenlicht.

Wie im August 2016 bekannt wird, haben auch Physiker der Universität Warschau um Piotr Wasylczyk einen innovativen Softroboter entwickelt, der von Raupen inspiriert ist, nur durch externes Licht angetrieben und gesteuert wird und für seine Größe eine enorme Leistung erbringt. Zur Konstruktion des Mikrobots haben die Wissenschaftler erforscht, wie Flüssigkristall-Elastomere (LCE), die aus Polymernetzwerken bestehen, die auf Veränderungen des Lichts reagieren, zur Schaffung dreidimensionaler Formen verwendet werden können, die, wenn sie durch Licht angeregt werden, bestimmte in der Natur vorkommende Bewegungen nachahmen.

Die in dem Artikel ,Light-Driven Soft Robot Mimics Caterpillar Locomotion in Natural Scale’ beschriebene Arbeit gipfelte in der Entwicklung einer 15 mm langen Roboterraupe aus LCE, die mit grünem Licht betrieben wird und durch einen modulierten Laserstrahl gesteuert werden kann. Den Forschern zufolge nimmt die Raupe durch Veränderung der Lichtmuster verschiedene Gangarten an, geht Abhänge hinauf, zwängt sich durch enge Räume und schiebt sogar Gegenstände, die das Zehnfache ihres eigenen Gewichts haben.

Das Team hofft nun, mit den gewonnenen Erkenntnissen über neue Herstellungstechniken und Designstrategien die Technologie weiter zu entwickeln und weiche Roboter zu schaffen, die schwimmen und sogar fliegen können.

Zwar nicht direkt im Zusammenhang mit dem Micro Energy Harvesting, aber dennoch so interessant, daß ich sie hier einfügen möchte, ist eine Meldung vom September 2016. Dieser zufolge haben Physiker des Instituts für Angewandte Physik der Russischen Akademie der Wissenschaften (IAP RAS) in Nischni Nowgorod berechnet, daß es durch konzentrierte Hochleistungslaserpulse – und damit Licht – möglich sei, Materie und Antimaterie zu erzeugen. Bislang gelingt die Herstellung von Antimaterie nur mit enormem Aufwand in Teilchenbeschleunigern – und das nur in winzigsten Mengen.

Igor Yu. Kostyukov und Evgeny N. Nerush untersuchten in Berechnungen und Simulationen den Effekt, den ein energiereicher Laserstrahl von mehr als 10²⁴ W/cm² hat, der auf eine Metallfolie trifft, was in etwa der Intensität des gesamten auf der Erde eintreffenden Sonnenlichts entspricht, fokussiert auf ein einzelnes Sandkorn. Bei derart hohen Laserintensitäten beginnen Effekte der Quantenelektrodynamik (QED) eine Rolle zu spielen, welche die Wechselwirkungen von elektromagnetischer Strahlung mit Materie beschreibt.

Kostyukov erklärt, daß ein starkes elektrisches Feld „das Vakuum quasi zum kochen bringen kann“, welches voller ,virtuellen Teilchen’ ist, wie beispielsweise Elektron-Positron-Paaren. Das Feld kann diese Art von Teilchen aus einem virtuellen Zustand, in welchem sie nicht direkt beobachtbar sind, in echte Teilchen umwandeln.

Im Falle des postulierten Experiments sorgt der Laserstrahl dafür, daß die Elektronen der Metallfolie energiereiche Gammastrahlen-Photonen abgeben, die wiederum mit dem Laserfeld interagieren und auch miteinander kollidieren, wobei nach dem 1934 postulierten Breit-Wheeler-Effekt Paare von Elektronen und Positronen entstehen können – und damit Antimaterie. Zudem kann eine Kettenreaktion entstehen – eine sogenannte QED-Kaskade, die zu einem exponentiellen, sehr steilen Anstieg der Anzahl von Positronen führt.

Wie die Physiker in ihrer Simulation feststellen, kommt es dabei an der Kontaktstelle des Laserstrahls mit der Folie zu einer räumlichen Trennung von Photonen, Elektronen und Positronen, wobei sich die Positronen in einer hauchdünnen Schicht zwischen einem Kissen aus Elektronen und dem Laserstrahl sammeln. Je nach Energie des Lasers ist diese Positronenschicht entweder glatt oder bildet eine helixartige Spirale.

Auf der Abbildung ist die räumliche Verteilung der Folien-Ionen (blau) sowie die Verteilung der durch QED Kaskadierung im Raum x-Vy-Vz erzeugten Elektronen (grün) und Positronen (rot) zu sehen, wo Vy und Vz die transversalen Komponenten der Geschwindigkeiten erzeugten Teilchen sind. Der Laserpuls breitet sich entlang der x-Achse aus, während die Folie senkrecht dazu steht.

Noch ist fraglich, ob damit eines Tages tatsächlich Antimaterie erzeugt werden kann, auch wenn es bereits Laser gibt, deren Intensität an die des hier simulierten Lasers heranreichen, obwohl sie diese Leistung nur wenige Sekundenbruchteile aufrecht halten können. Unklar ist zudem, ob und wie man die Positronen ohne Auslöschung aus dem Strahlengang herausbekommen kann. Für eine zukünftige Energie-Technologie, die auf Antimaterie basiert, könnte dies aber sehr relevant werden.

Im Oktober 2016 präsentieren Forscher um Prof. Ertugrul Cubukcu von der University of California San Diego (UC San Diego) gemeinsam mit Kollegen der University of Pennsylvania ein Gerät, das seine mechanischen Eigenschaften mit Hilfe von Licht manipuliert. Das Gerät, das unter Verwendung plasmomechanischen Metamaterialien hergestellt ist, funktioniert durch einen Mechanismus, der seine optischen und mechanischen Resonanzen thermomechanisch koppelt und es ihm ermöglicht, mit der vom Licht absorbierten Energie unbegrenzt zu schwingen. Durch den umgekehrten Effekt wird auch eine optische Dämpfung der mechanischen Resonanz erreicht.

Die Studie ,Plasmonic metamaterial absorber for broadband manipulation of mechanical resonances’ demonstriert einen Ansatz zur Entwicklung eines optisch angetriebenen mechanischen Oszillators, der als neue Frequenzreferenz verwendet oder für hochpräzise Sensoren und Quantenwandler eingesetzt werden könnte. Das Gerät wird konstruiert, indem lichtabsorbierende Nanoantennen in nanomechanische Oszillatoren integriert werden.

Es ähnelt einem winzigen Kondensator, der aus zwei quadratischen Platten mit einer Größe von 500 x 500 µm besteht. Die obere Platte ist eine Doppelschichtmembran aus Gold und Siliziumnitrid, die eine Reihe kreuzförmiger Schlitze - die Nanoantennen - enthält, die in die Goldschicht geätzt sind. Die untere Platte ist ein Metallreflektor, der von der Gold/Siliziumnitrid-Doppelschicht durch einen drei Mikrometer breiten Luftspalt getrennt ist.

Wenn das Gerät mit Licht bestrahlt wird, absorbieren die Nanoantennen die gesamte einfallende Lichtstrahlung und wandeln sie in Wärme um. Daraufhin verbiegt sich die Gold-Siliziumnitrid-Doppelschicht, da sich Gold bei Erwärmung stärker ausdehnt als Siliziumnitrid. Durch die Biegung der Doppelschicht ändert sich die Breite des Luftspalts, der sie vom Metallreflektor trennt. Diese Abstandsänderung führt dazu, daß die Doppelschicht weniger Licht absorbiert und sich infolgedessen in ihre ursprüngliche Position zurückbiegt. Die Doppelschicht kann nun wieder das gesamte einfallende Licht absorbieren, und der Zyklus wiederholt sich von neuem.

Das Gerät beruht auf einer einzigartigen hybriden optischen Resonanz, der so genannten Fano-Resonanz, die sich aus der Kopplung zweier unterschiedlicher optischer Resonanzen des Metamaterials ergibt. Die optische Resonanz kann durch Anlegen einer Spannung nach Belieben eingestellt werden, und da das plasmomechanische Metamaterial mit einer breiten optischen Resonanz funktioniert, kann dieses auf eine Lichtquelle wie eine LED reagieren und benötigt keinen starken Laser, um die Energie zu liefern.

Ein Team, an dem unter der Leitung von Timothy J. White Forscher der Inha University in Südkorea, der University of Pittsburgh und des Air Force Research Laboratory (AFRL) der USA beteiligt sind, stellt im November neue Materialien vor, die ultraviolettes Licht direkt in Bewegung umwandeln, ohne daß dafür Elektronik oder andere herkömmliche Methoden erforderlich sind. Die Forschungsarbeit mit dem Titel ,Photomotility of Polymers’ ist im Netz einsehbar.

Als Material wählt die Gruppe monolithische Polymerfilme, die aus einer Form von flüssigkristallinem Polymer hergestellt sind. Die ,Photomotorik’ dieser speziellen Polymere ist das Ergebnis ihrer spontanen Bildung von Spiralen, wenn sie UV-Licht ausgesetzt werden. Die flachen Polymerstreifen, die etwa 15 mm lang und 1,25 mm breit sind, können sich, angetrieben durch Licht, mit mehreren Millimetern pro Sekunde vorwärts bewegen und sogar in einem 15°-Winkel auf einer Glasplatte hinaufklettern. Auch eine Richtungssteuerung ist möglich. Die Bewegung kann ununterbrochen fortgeführt werden, solange das Material beleuchtet bleibt.

Im März 2017 veröffentlichen Forscher der North Carolina State University (NC State) den im Netz einsehbaren Artikel ,Sequential self-folding of polymer sheets’, in welchem sie eine Technik beschreiben, die mit Hilfe von Licht zweidimensionale Kunststoffplatten in dreidimensionale Strukturen wie Kugeln, Röhren oder Schalen biegen kann.

Konkret haben die Forscher um Prof. Michael D. Dickey und Prof. Jan Genzer eine Technik entwickelt, um 2D-Materialien zu entwerfen und herzustellen, die ferngesteuert werden können, um jede der vorgegebenen Faltungen in beliebiger Reihenfolge auszulösen. Auf dem Weg zur Entwicklung von Objekten, die sich selbst zusammenbauen, ist die Reihenfolge, in der man die Falten macht, nämlich extrem wichtig.

Auf kleinen Längenskalen ermöglicht die sequentielle Faltung durch molekulare Maschinerie, daß sich die DNA effizient in Chromosomen einfügt und Proteine eine funktionelle Konformation annehmen. Auf großen Längenskalen hilft sie durch Motoren den Solarzellen von Satelliten, sich im Weltraum zu entfalten. Darüber gibt es einen eigenen Schwerpunkt Origami-Photovoltaik. Der Fortschritt der aktuellen Arbeit besteht darin, Materialien dazu zu bringen, sich nur mit Hilfe von Licht sequentiell zu falten.

Der aktuelle Fortschritt baut auf früheren Arbeiten desselben Teams aus dem Jahr 2011 auf, die sich auf von Origami inspirierte selbstfaltende 3D-Strukturen konzentriert hatten (,Self-folding of polymer sheets using local light absorption’). Damals war eine Technik entwickelt worden, bei der eine vorgespannte Kunststoffolie durch einen herkömmlichen Tintenstrahldrucker geführt wurde, um dicke schwarze Linien auf das Material zu drucken. Anschließend wurde das Material in das gewünschte Muster geschnitten und unter Infrarotlicht gelegt.

Dabei absorbierten die gedruckten Linien mehr Energie als der Rest des Materials, wodurch sich der Kunststoff zusammenzog und ein Scharnier entstand, das die Flächen in 3D-Formen faltete. Indem die Breite der gedruckten Linien oder Scharniere variiert wurden, konnte verändert werden, wie weit und wie schnell sich jedes Scharnier faltet.

Der neue Fortschritt nutzt im Wesentlichen die gleiche Technik, macht sich aber die Tatsache zunutze, daß verschiedene Farben von Tinte unterschiedliche Wellenlängen oder Farben von Licht absorbieren. Indem die Scharniere in verschiedenen Farben gedruckt werden, läßt sich daher durch Veränderung der Wellenlängen des Lichts, das auf das 2D-Blatt scheint, die Reihenfolge der Faltungen steuern.

Wenn beispielsweise ein Scharnier in Gelb und ein anderes in Blau gedruckt ist, läßt sich das gelbe Scharnier zum Falten bringen, indem es blauem Licht ausgesetzt wird, während sich das blaue Scharnier nicht faltet, weil blaue Tinte kein blaues Licht absorbiert. Das blaue Scharnier zum Falten zu bringen geht hingegen, indem das Blatt mit rotem Licht bestrahlt wird. In dem Artikel sind auch Beispiele für Spiral- und Kuppelstrukturen aufgeführt, die sich durch die Bestrahlung mit blauen und roten LEDs bilden ließen.

Bereits im Februar hatte das Team gemeinsam mit Prof. Mohammed Zikry den nicht einsehbaren Artikel ,Controllable Curvature from Planar Polymer Sheets in Response to Light’ veröffentlicht. Der Zusammenfassung zufolge beschreiben sie hier, wie planare Platten aus Formgedächtnispolymeren (SMP) in 3D-Objekte mit kontrollierbarer Krümmung umgewandelt werden, indem vorgegeben wird, wo die Platten schrumpfen. Auch hier absorbiert die auf der Oberfläche der Folie aufgebrachte Tinte Infrarotlicht, was zu einer lokalen Erwärmung führt, bei der das Material überall dort schrumpft, wo die Temperatur die Aktivierungstemperatur überschreitet.

Im März 2018 veröffentlicht ein Team der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) um Atif Shamim den Bericht ,Optical rectification through an Al₂O₃ based MIM passive rectenna at 28.3 THz’, in welchem sie eine neu entwickelte Metall-Isolator-Metall-Diode (MIM) beschreiben, die mit Hilfe von ultraschnellem Quantentunneling Infrarotenergie aus der Umgebung aufnimmt.

Infrarotwärme kann rund um die Uhr genutzt werden, wobei die Möglichkeit besteht, Abwärme oder Infrarotwärme als hochfrequente elektromagnetische Wellen zu behandeln. Mit Hilfe entsprechend ausgelegter Antennen werden die gesammelten Wellen an einen Gleichrichter weitergeleitet, der die Wechselsignale in elektrischen Strom umwandelt.

Die praktische Umsetzung dieser Gleichrichter-Entwürfe war bisher allerdings schwierig, da Infrarot-Emissionen sehr kleine Wellenlängen haben und mikro- oder nanoskalige Antennen erfordern, die sich nur schwer herstellen und testen lassen. Außerdem schwingen Infrarotwellen Tausende Male schneller, als ein typischer Halbleiter Elektronen durch seine Grenzfläche bewegen kann.

Da es weltweit keine kommerzielle Diode gibt, die mit einer so hohen Frequenz arbeiten kann, wendet sich das Team dem Quanten-Tunneling zu. Tunnelbauelemente wie MIM-Dioden wandeln Infrarotwellen in Strom um, indem sie Elektronen durch eine kleine Barriere bewegen. Da diese nur 1 nm dick ist, können die MIM-Dioden hochfrequente Signale in der Größenordnung von Femtosekunden verarbeiten.

Um die für das Tunneln erforderlichen Felder zu erzeugen, wird eine bogenförmige Nanoantenne verwendet, die den Isolatorfilm zwischen zwei sich leicht überlappenden Metallarmen einklemmt, was eine sehr präzise Ausrichtung erfordert. Durch die Wahl von Metallen mit unterschiedlichen Arbeitsfunktionen kann die neue MIM-Diode die Infrarotwellen mit null angelegter Spannung einfangen.

Mit einem Proof-of-Concept-Gerät erfolgt die erfolgreiche Demonstration der Gleichrichtung von Abwärme unter Verwendung eines passiven Gleichrichtersystems, das bei 28,3 THz Quadrillionstel-Sekunden-Wellensignale in nutzbaren Strom umwandelt.

Forscher der Rutgers University und der Korea University um Howon Lee berichten im Mai 2018, daß sie ein intelligentes Gel entwickelt haben, das in 3D in einer Vielzahl von Formen gedruckt und elektrisch aktiviert werden kann, damit es unter Wasser ,laufen’, Gegenstände greifen und bewegen kann. Dies geschieht, indem die Formen auf Auslöser wie Licht, Temperatur und Strom reagieren, so daß sie sich ausdehnen und zusammenziehen können, um sich zu bewegen oder andere Funktionen zu erfüllen.

Erzeugt wird das Hydrogel, indem ein lichtempfindliches Material mit Licht bestrahlt wird, während es in 3D gedruckt wird. Das Endergebnis ist u.a. eine humanoide Figur, die etwa 2,5 cm groß ist und zum Laufen gebracht werden kann, indem sie in eine Salzwasserlösung gelegt und mit kleinen elektrischen Strömen versorgt wird. Da sich das Hydrogel zusammenzieht, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, kann das Gerät durch Ein- und Ausschalten des Stroms vorwärts schlurfen. Welche Wirkungen durch Licht erreicht werden, wird allerdings nicht ausgeführt.

Andere Formen können sich um kleine Gegenstände schließen und sie an anderer Stelle wieder loslassen. Da sich dünnere Teile des Hydrogel-Roboters schneller bewegen als dickere, ermöglichen Veränderungen der Dicke des Gels ebenso wie des Salzgehalts des Elektrolyts und der Stärke des elektrischen Feldes eine feinere Steuerung. Der Artikel trägt den Titel ,Soft Robotic Manipulation and Locomotion with a 3D Printed Electroactive Hydrogel’.

Chinesische Wissenschaftler des Beijing Insitute of Technology um Liangti Qu präsentieren im Oktober 2018 eine neuartige Mikroschlauchpumpe, die Wassertröpfchen kontrolliert über lange Strecken transportiert und dabei ausschließlich von natürlichem oder künstlichem Licht angetrieben wird (,Sunlight-Driven Water Transport via a Reconfigurable Pump’).

Die Pumpe, die in der Mikrofluid-Technik und bei Analyse- und Diagnosemethoden eingesetzt werden soll, besteht aus einem Schlauch, dessen Eigenschaften sich durch eine Bestrahlung auf asymmetrische Weise ändern. So entstehen Kapillarkräfte und ein Gradient der Benetzbarkeit der Innenwand, deren Zusammenwirken die Wassertröpfchen auf eine rekordverdächtige Vorwärtsgeschwindigkeit von 1,5 mm/s beschleunigt.

Der Polymerschlauch von ca. 500 µm Durchmesser ist aus zwei Schichten aufgebaut. Die äußere besteht aus Polydimethylsiloxan (PDMS), dem reduziertes Graphenoxid (rGO) beimischt ist, ein Kohlenstoff-basiertes Nanomaterial, das das Spektrum des Sonnenlichts besonders gut absorbiert und sich dabei stark erhitzt. Die Wärme wird auch auf die innere Beschichtung der Schlauchwand übertragen, die aus Poly-N-Isopropylacrylamid (PNIPAm) besteht, einem Polymer, das bei Raumtemperatur ein Hydrogel bildet: Die Polymerketten sind dann zu einem Netzwerk verknäuelt, das durch Einlagerung von Wasser aufgequollen ist.

Ab etwa 32°C kollabiert das Hydrogel zu kompakten Kügelchen, die die Innenwand wasserabweisend machen. Zudem schrumpft die innere Schicht, so dass der Innendurchmesser des Schlauches größer wird. Wird der Schlauch an einem Ende bestrahlt, entstehen ein Gradient der Benetzbarkeit der inneren Wand sowie eine Asymmetrie der Schlauchgeometrie, da sich der Innendurchmesser nur am bestrahlten Ende weitet.

Aufgrund der Kapillarkräfte wird ein Wassertröpfchen im Schlauch in Richtung des engeren Durchmessers, also des nicht bestrahlten Endes, gezogen. Da die Innenwand im bestrahlten Bereich zudem schlecht benetzbar ist, wird das Wassertröpfchen zusätzlich beschleunigt. Durch die Synergie der beiden Mechanismen lassen sich die hohen Vorwärtsgeschwindigkeiten erreichen, die über die Stärke der Bestrahlung reguliert werden können. Nach der Bestrahlung kühlt sich der Schlauch sehr schnell wieder ab, das Hydrogel stellt seine ursprünglichen Eigenschaften wieder her und kann erneut bestrahlt werden.

Dank des flexiblen Materials sind auch gekrümmte, meterlange Schläuche herstellbar, in denen Wasser kontinuierlich über weite Strecken transportiert wird, oder verzweigte Systeme, die gleichzeitig oder in Folge an verschiedenen Stellen bestrahlt werden können. Damit lassen sich z.B. einzelne, unterschiedliche Reagenzien enthaltende Tröpfchen gezielt in einer bestimmten Reihenfolge transportieren und miteinander vereinigen – etwa für diagnostische Tests oder wenn Wassertröpfchen als Mikroreaktoren für chemische Reaktionen genutzt werden.

 

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