Synthese und Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von aufgerollten Nanokompositen als Modell von Schwammnadeln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Gesamtziel dieses Projekts bestand darin, Rollstrukturen auf Keramikbasis zu realisieren, deren Architektur jener von natürlichen Schwammnadeln sehr ähnlich ist, und ihr Anwendungspotenzial insbesondere als Aktoren zu erforschen. In der zweiten Phase lag der Schwerpunkt auf der Optimierung der Herstellung und der mechanischen Stabilität der Rollen sowie auf der Untersuchung ihrer Reaktion auf Feuchtigkeit oder Magnetfelder. Durch die Optimierung der relevanten Parameter gelang es uns, die Geschwindigkeit und Präzision der Rollenherstellung mit der im ersten Zeitraum entwickelten Rasierklingen-Technik deutlich zu erhöhen. Diese Technik konnte nicht nur auf Hybridfilme aus Materialien unterschiedlicher Steifigkeit ausgeweitet werden, sondern auch auf die Herstellung ganzer Arrays von Rollen an vordefinierten Positionen. Bedeutende Fortschritte konnten auch durch die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der strukturellen Integrität von V 2O5-Rollen erzielt werden, indem ihr zentraler Kanal mit anorganischen (TiO 2)- oder organischen Polymer-Nanopartikeln gefüllt wurde. Im letzteren Fall wurde durch die Verwendung eines speziell angepassten Eis- Templating-Verfahrens eine vollständige Füllung der Lamellenräume sichergestellt. Dies gestattet eine bis zu achtfache Steigerung der maximalen Belastung aufgrund einer effektiven Spannungsverteilung und Energiedissipation, vergleichbar dem Bruchverhalten natürlicher Schwammnadeln. Als ein weiterer bemerkenswerter Fortschritt konnten magnetische Fe 3O4-Nanopartikel reibungslos in V2O5- und Cellulosenanofaser-Filme integriert werden. Das kontrollierte Rollen solcher Hybridfilme, deren Mikrostruktur durch Anpassung der Nanopartikelkonzentration und -verteilung optimiert wurde, führte zu Rollen mit robuster mechanischer Stabilität und effizienter magnetischer Reaktionsfähigkeit. Neben magnetischen Aktuatoren konnten wir auch eine effiziente feuchtigkeitsgetriebene Betätigung mit hervorragender Kontrolle der Reaktionsgeschwindigkeit durch die Rollenkrümmung für Schnecken aus V 2O5/Cellulose-Hybridfilmen nachweisen. Die erzielten Ergebnisse eröffnen neue und vielversprechende Anwendungsperspektiven in verschiedenen Bereichen. Erstens ist die entwickelte Rasierklingen-Technik in mehrfacher Hinsicht herausragend, wie z.B. eine außergewöhnliche Scroll-Geschwindigkeit von 1 mm/s, ein Aspektverhältnis von über 600 für die resultierenden Rollen, eine Rollenlänge von bis zu 30 mm und die Möglichkeit, eine Spiralgeometrie zu implementieren. Zweitens sind die Hybridrollen, die zwei oder mehr verschiedene Folientypen kombinieren, sehr nützlich für die Energiespeicherung (wiederaufladbare Batterien) und die Mikrorobotik, wo kompakte und effiziente Designs mit geringem Platzbedarf entscheidend sind. Drittens eignen sich die demonstrierten magnetischen Aktuatoren, die eine schnelle Reaktion mit hoher mechanischer Stabilität und Langlebigkeit kombinieren, bestens für magnetische Antriebstechnologien, insbesondere spiralförmige Spulen, die eine geringere Betriebsleistung erfordern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A straightforward method for scrolling planar materials into free-standing 3D structures, 7th Conference of the Serbian Society for Ceramic Materials, June 14-16. 2023, Belgrade, Serbia
Diem, A. M.; Bill, J. & Burghard, Z.
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Fast One‐Step Fabrication of Highly Regular Microscrolls with Controllable Surface Morphology. Advanced Science, 10(21).
Diem, Achim M.; Bill, Joachim & Burghard, Zaklina
