Gerichtete Architektur in Tensegrity Fachwerken: Hin zu "Muskel-Knochen" Metamaterialien

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jens Bauer
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460604278

Mit dem übergeordneten Ziel, eine neue Generation multifunktionaler und adaptiver Hochleistungswerkstoffe zu erschaffen, hat sich das Forschungsfeld mechanischer Metamaterialien in den letzten zehn Jahren rasant entwickelt. Hierbei wurden herausragende Einzeleigenschaften (z.B. ultrafeste Nanofachwerke, adaptive Origamistrukturen) gezeigt, diese sind jedoch weitgehend inkompatibel. Bis heute existiert kein ganzheitliches Konzept. Biologische Tragstrukturen, wie Knochen-Muskel-Physiologien, basieren auf der so genannten Zugintegrität oder Tensegrity-Architektur und verbinden auf einzigartige Weise effiziente Materialausnutzung mit der Fähigkeit, eine breite Palette multifunktionaler Aufgaben zu erfüllen. Im Gegensatz zu etablierten Metamaterial-Architekturen bestehen Tensegrities aus diskontinuierlichen Druckelementen, die voneinander isoliert und nur durch ein kontinuierliches Netzwerk von Zuggliedern verbunden sind. Trotz ihrer mechanischen Einzigartigkeit ist die Tensegrity-Architektur als Metamaterialdesignkonzept weitgehend unerforscht. hier setzt das Arbeitsprogram dieser Emmy-Noether-Gruppe an. Inspiriert von biologischen Physiologien führt die Emmy-Noether-Gruppe Tensegrity-Prinzipien mit gerichteten Material-, Struktur- und Funktionsdesigns zu einem Architekturkonzept zusammen und entwickelt damit eine neuartige Klasse multifunktionaler Tensegrity-Metamaterialien. Eine Vielzahl einzigartiger physikalischer Eigenschaften, von der unübertroffenen Druckstabilität von Honigwabenstrukturen bis zur extremen Leitfähigkeit von Kohlenstoff-Nanoröhren, basieren auf direktionalen Effekten mit niedrigdimensionalen Strukturen. Das hier vorgestellte Konzept bietet einen interdisziplinär anwendbaren Ansatz, der Tensegrity-Prinzipien nutzt, um diese Effekte in einem volumetrischen Metamaterial zugänglich zu machen. Hierbei konzentriert sich das vorgestellte Arbeitsprogramm auf die Entwicklung von Nano- und Mikro-Tensegritys, die aus Polymer 3D-gedruckt und per Pyrolyse zu Keramiken umgewandelt werden. Dabei soll die Tensegrity-Architektur Pyrolysekontraktionseffekte ausnutzen, um mittels kontrollierter Verstreckung der Zugelemente eine gerichtete Materialmikrostruktur zu erzeugen. Auf diesem Weg soll es gelingen extreme orientierungs- und größenabhängige Materialeigenschaften, wie CNT-ähnliche Festigkeit und Steifigkeit, zu nutzen. Gleichzeitig soll Kontrolle von Zugdehnung und elastischen Knickmechanismen der Stäbe reversible Verformbarkeit mit dem eigentlich spröden keramischen Basismaterial einstellbar machen. Darauf aufbauend wird das Architekturkonzept in späteren Arbeiten auf die Struktur- und Funktionsskala ausgeweitet. Hierbei sollen statische Zugelemente durch künstliche Muskeln ersetzt und Druckstäbe dem Vorbild biologischer Hierarchien wie Knochenstrukturen nachempfunden werden.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: SEM Nanoindenter
• Gerätegruppe: 8700 Mechanisch abtastende Längen- und Dickenmeßgeräte, Meßmaschinen