Materialforschung: KIT-Forschern gelingt die Herstellung einer neuen Materialklasse

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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.
Im Fall von Wasser sind die fünf – Penta im Altgriechischen – Scherkenngrößen 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 Variation 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 Verhalten 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 Prozent des Körpervolumens ein, sodass das resultierende Komposit extrem leicht ist.“

„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 Tarnkappe im Bereich von sichtbarem Licht.
Bild: Pentamode-Metamaterialien verhalten sich näherungsweise wie Flüssigkeiten. Ihre erstmalige Herstellung eröffnet neue Möglichkeiten in der Transformationsakustik. (Bildquelle: CFN, KIT)
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