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Nov 29, 2023

Wissenschaftler enthüllen eine flüssige Metallbeschichtung, die Papier eine ganz eigene Seele verleiht

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Haben Sie Origami-Videos gesehen, in denen der Stop-Motion-Effekt das Papier so aussehen lässt, als würde es sich von selbst in schöne Formen falten? Wissenschaftlern der Tsinghua-Universität in China ist ein Durchbruch auf dem Gebiet der intelligenten Materialien gelungen, der dies Wirklichkeit werden lassen könnte.

Das Team entwickelte eine neue Flüssigmetallbeschichtung, die gewöhnliches Papier in selbstklebende Geräte verwandeln kann, die Wärme und Strom leiten können. Obwohl flüssiges Metall in Schaltkreisen und tragbaren Sensoren verwendet wird, war die Möglichkeit, dass es sich dabei um eine Beschichtung handelt, bisher unerforscht.

Den Forschern gelang es, eine flüssige Legierung zu formulieren und diese mithilfe einer Stempeltechnik auf Papier aufzutragen, sodass keine Klebstoffe erforderlich waren. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Schaffung leichter, flexibler intelligenter Objekte und weicher Roboter, die in verschiedenen Umgebungen autonom agieren können. Die in der Fachzeitschrift Cell Reports Physical Science veröffentlichte Studie untersucht das Potenzial von flüssigem Metall als Beschichtung und seine verschiedenen Anwendungen.

Das Team unter der Leitung von Bo Yuan von der Tsinghua-Universität in China experimentierte mit verschiedenen Legierungskombinationen, um die Haftung der Flüssigmetallbeschichtung zu testen. Sie verglichen eine Indium/Gallium-Legierung (eGaIn) mit einer Legierung aus Wismut, Indium und Zinnoxid (BiInSn) und stellten fest, dass letztere eine bessere Haftung und Stabilität bot.

Im Gegensatz zu eGaIn oxidiert BiInSn nicht, wenn es Luft ausgesetzt wird, wodurch eine Haftung gewährleistet wird, die nicht auf einem Oxidfilm beruht. Darüber hinaus bietet BiInSn, das bei Raumtemperatur fest ist und einen höheren Schmelzpunkt hat, einen weiteren Vorteil, da es bei Temperaturen unter 144° Fahrenheit (62° Grad) nicht flüssig wird.

„Wir mussten sicherstellen, dass die Haftung des flüssigen Metalls auf verschiedenen Papieren im großen Maßstab gleichmäßig ist und die Stabilität der Beschichtung erhalten bleibt“, sagte Bo Yuan gegenüber Ars Technica. „Um diese Probleme zu lösen, haben wir in den Experimenten den auf den Stempel ausgeübten Druck sowie die Reibgeschwindigkeit verändert und schließlich die am besten geeigneten Parameter gefunden.“

Das Team faltete mit flüssigem Metall beschichtetes Papier zu Origami-Würfeln und beobachtete, dass sie sich dank der selbstklebenden Beschaffenheit der Beschichtung autonom entfalten und wieder entfalten konnten. Darüber hinaus behielten 3D-Strukturen aus einzelnen metallbeschichteten Papierstücken ihre Form ohne zusätzliche Bindemittel.

Die leicht ablösbare Metallbeschichtung ermöglicht das Recycling und die wiederholte Verwendung, ohne das darunter liegende Papier zu beeinträchtigen.

Bo Yuan und sein Team freuen sich darauf, eine Beschichtung zu finden, die nach dem Aushärten ihre Haftung beibehält. Sie glauben, dass ein auf dieser Technologie basierendes, biofreundliches Farbspray die Verpackung revolutionieren könnte, da sich Kartons von selbst öffnen und schließen lassen; und im Gesundheitswesen, mit Verbänden, die sich lösen lassen, ohne eine kahle Stelle auf der Haut zu hinterlassen.

Weiche Roboter, die mit der Flüssigmetallbeschichtung ausgestattet sind, könnten das Navigieren in anspruchsvollem Gelände erleichtern, da sie sich durch Selbsthaftung je nach Bedarf falten oder entfalten und sich in Bereiche vorwagen können, die für größere Rover ungeeignet sind.

Diese Studie stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Forschung zu intelligenten Materialien dar. „Mit unserer Methode kann man schnell intelligente Materialien mit guter thermischer und elektrischer Leitfähigkeit sowie der Fähigkeit zur Einstellbarkeit der Steifigkeit herstellen“, fügte Yuan hinzu. „Ich denke, dass diese Methode einen neuen Weg für die Entwicklung von Weltraumforschern bieten könnte.“

Studienzusammenfassung

Die Einführung von Papier und Origami in die Industrie und das tägliche Leben war ein Markenzeichen der menschlichen Zivilisation. Die Leistung von Origami wird jedoch durch die Eigenschaften der Materialien, aus denen es besteht, begrenzt, einschließlich Langzeitbiegung sowie elektrischer und thermischer Leitfähigkeit. Hier berichten wir über eine neue Methode zum direkten Anhaften von flüssigem Metall auf nicht benetzenden Substraten in großem Maßstab, die die Regulierung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften des verbesserten Papiers durch Steuerung der ausgeübten Kraft während der Herstellung ermöglicht. Der Mechanismus der Adhäsion zwischen verschiedenen flüssigen Metallen (eGaIn und BiInSn) und nicht benetzenden Substraten durch Kraft wird erklärt. Darüber hinaus können multifunktionale Origami-Strukturen auf Basis des verbesserten Papiers zwischen mehreren Verformungsmodi wechseln und verfügen über eine Formgedächtnisantenne zum Empfangen und Senden elektromagnetischer Signale. Diese Arbeit bietet einen allgemeinen Ansatz zur Entwicklung von Multifunktionspapier für Anwendungen in tragbaren Testplattformen, flexiblen Geräten und Soft-Robotik.