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Arbeitsmodell des programmierbaren Materials. Bild: Wolfram Raither, ETH

Heiligs Blechle!

Forscher entwickeln ein Blech, das niemals scheppert 

Es sieht unspektakulär aus, aber es könnte die Welt der Mechanik für immer verändern: Ein an der Empa hergestelltes «programmierbares» Material kann auf Knopfdruck nicht nur Schwingungen komplett dämpfen, sondern auch gezielt bestimmte Frequenzen weiterleiten.



Forschern der Empa und der ETH Zürich ist ein erster Schritt zu mechanischen Bauteilen mit frei programmierbaren Eigenschaften gelungen: Sie haben einen neuen Werkstoff entwickelt, bei dem sich Schwingungen per Knopfdruck dämpfen lassen. Mit so einem programmierbaren Material könnten Maschinen und Anlagen stabiler und einfacher gebaut werden, wie die Materialforschungsanstalt Empa mitteilt

Der Prototyp ist eine ein Meter lange Aluminiumplatte von einem Millimeter Dicke. Um die Wellenausbreitung zu kontrollieren, sind zehn kleine Alu-Zylinder auf dem Metall befestigt. Zwischen Blech und Zylindern sitzen sogenannte Piezo-Scheiben, die elektronisch angeregt werden können und dann blitzschnell ihre Dicke verändern. 

Variierbare Dämpfung

So kann das Forscherteam um Andrea Bergamini genau kontrollieren, ob und wie sich Wellen im Blechstreifen ausbreiten dürfen. Diese Dämpfung ist von federnd bis völlig steif variierbar, denn die Piezo-Elemente können in Sekundenbruchteilen ihre Eigenschaften ändern. Den Prototypen stellen die Forscher im Fachblatt «Advanced Materials» vor. 

Mit so einem Material liessen sich Anlagen und Maschinen deutlich stabiler und zugleich leichter konstruieren, schreibt die Empa. Bisher mussten die gewünschten Schwingungseigenschaften bereits bei der Auswahl des Materials gewählt werden. In Zukunft könnte das Material auf aktuelle Messwerte von Vibrationen reagieren und seine Schwingungseigenschaften blitzschnell anpassen. 

Ansprechpartner: Andrea Bergamini, Bilder von Wolfram Raither ETH, Mediendesign Beat Geyer, Cover für Zeitschrift Advanced Materials, Portrait

Andrea Bergamini mit dem Prototyp. Bild: Beat Geyer, Empa

Unsichtbare Materialien

Das dämpfbare Blech ist ein sogenanntes Metamaterial. Solche periodisch aufgebaute, künstliche Materialien haben interessante Eigenschaften: Sie können von aussen einwirkende Energieformen verändern, zum Beispiel Licht von bestimmter Wellenlänge so absorbieren, dass das Material unsichtbar wird. Das neue Empa-Material etwa reagiert auf Schwingungen – also Schallwellen. In einem Folgeprojekt soll die Programmierbarkeit des Prototypen erweitert werden, indem die einzelnen Piezo-Elemente verschaltet werden. An der Arbeit waren auch Forscher des «Georgia Institute of Technology» beteiligt. (dhr/sda)

Metamaterialien

Metamaterialien sind künstliche, periodisch aufgebaute Gebilde, deren Struktur kleiner ist als die Wellenlänge der von aussen einwirkenden Energieform. Solche Gebilde können interessante Effekte erzielen, etwa einen negativen Brechungsindex aufweisen und für Licht bestimmter Wellenlänge als «Tarnkappe» dienen. Metamaterialien können aus Metall oder Kunststoff bestehen. Das Material der einzelnen Bauteile ist nebensächlich – entscheidend ist, wie diese Bauteile gemeinsam auf äussere Einflüsse reagieren. Das an der Empa untersuchte Metamaterial reagiert auf Schwingungen – also auf Schallwellen. (Empa)

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