Mit der Herstellung einer standfesten kristallinen Metaflüssigkeit, einem Pentamode-Metamaterial, gelang dem Forschungsteam um Professor Martin Wegener am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) die Realisierung einer neuen Materialklasse. Mit neuartigen Methoden der Nanostrukturierung können diese Materialien nun erstmals mit allen denkbaren mechanischen Eigenschaften verwirklicht werden. Die Ergebnisse ihrer Arbeit stellen die Wissenschaftler jetzt in der ersten Maiausgabe der Fachzeitschrift „Applied Physics Letters“ als Titelbeitrag vor. (DOI 10.1063/1.4709436)
Der entscheidende Schritt gelang in den letzten Monaten am DFG-Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN), am Institut für Angewandte Physik (AP) und am Institut für Nanotechnologie (INT) in Karlsruhe. Zahlreiche dreidimensionale Ideen der Transformationsakustik, wie akustische Tarnkappen, akustische Prismen oder neue Lautsprecherkonzepte, können künftig Realität werden.
„Pentamoden“ waren bislang nur ein rein theoretisches Konzept, das 1995 von Graeme Milton und Andrej Cherkaev vorgeschlagen wurde. Das mechanische Verhalten von Materialien wie Gold oder Wasser wird dabei durch Kompressions- und Scherkenngrößen zusammengefasst. So lässt sich beispielsweise Wasser in einem Zylinder kaum zusammenpressen, dieses Verhalten beschreibt die Kompressionskenngröße, aber es lässt sich mit einem Löffel in alle Richtungen umrühren, dieses Verhalten beschreiben die Scherkenngrößen.
In Fall von Wasser sind die fünf - Penta im Altgriechischen - Scher-kenngrößen gleich null, und nur eine Kenngröße, die Kompression, ist von null verschieden. Der Idealzustand eines Pentamode-Metamaterials entspricht den Kenngrößen von Wasser, weshalb das Material auch als Meta-Flüssigkeit bezeichnet wird. Über eine Varia-tion der Kenngrößen ist man theoretisch in der Lage, Material mit allen denkbaren mechanischen Eigenschaften herzustellen.
„Die Realisierung eines Pentamode-Metamaterials ist in etwa so schwierig, als würde man versuchen, ein Gerüst aus Stecknadeln aufzubauen, die sich nur an den Spitzen berühren dürfen“, erklärt Dr. Muamer Kadic, Erstautor der Veröffentlichung. „Der Karlsruher Prototyp wurde aus einem Polymer gefertigt. Das mechanische Ver-halten des Materials wird darüber bestimmt, wie spitz und wie lang die einzelnen Zuckerhüte sind. Wir müssen einerseits in der Lage sein, kleine Zuckerhüte im Nanometerbereich zu konstruieren und im richtigen Winkel zu verbinden, andererseits soll die Gesamtstruktur am Ende möglichst groß sein. Das Material selbst nimmt nur etwas mehr als 1% des Körpervolumens ein, sodass das resultierende Komposit extrem leicht ist.“
Das stabile Vierbein (orange eingefärbt) ist das Grundelement des Pentamode-Metamaterials.
Es wird so zu einem dreidimensionalen diamantartigen Kristall angeordnet, dass sich das
daraus resultierende Material insgesamt verformen lässt. (Bildquelle: CFN, KIT)
„Die Transformationsakustik ist ausschließlich auf Metamaterialien angewiesen, um ähnliche Ergebnisse wie in der Transformationsoptik für den dreidimensionalen Raum zu erzielen. Entsprechend bedeutend ist die erstmalige Herstellung unseres Pentamode-Metamaterials“, ergänzt Tiemo Bückmann, Diplomand am Institut für Angewandte Physik, der für die Realisierung der Strukturen des neuen Materials mit Hilfe der Technik des Dip-In‘-Laserschreibens verantwortlich ist. Sie ist eine Weiterentwicklung der Technik des Direkten Laserschreibens durch die Nanoscribe GmbH.
Martin Wegener, Professor am Institut für Angewandte Physik und Koordinator des CFN, entwickelte in den vergangenen Jahren mit seinen Mitarbeitern das Direkte Laserschreiben und etablierte damit die optische Lithografie dreidimensionaler Nanostrukturen. Dieser Technik sind zahlreiche Errungenschaften der Gruppe in der Trans-formationsoptik zu verdanken, wie die erste dreidimensionale Tarn-kappe im Bereich von sichtbarem Licht.
Über das CFN:
Das DFG-Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) hat sich einem wichtigen Bereich der Nanotechnologie verschrieben: den funktionellen Nanostrukturen. Ziel ist es durch exzellente interdisziplinäre und internationale Forschung Nano-Strukturen mit neuen technologischen Funktionen darzustellen sowie den ersten Schritt von der Grundlagenforschung zur Anwendung zu gehen. Zurzeit arbeiten in Karlsruhe mehr als 250 Wissenschaftler und Techniker über das CFN vernetzt in mehr als 80 Teilprojekten zusammen. Der Fokus liegt auf den Bereichen Nano-Photonik, Nano-Elektronik, Molekulare Nanostrukturen, Nano-Biologie und Nano-Energie. www.cfn.kit.edu
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.