Eine neue Studie der EPFL, veröffentlicht in Science Advances, zeigt, wie ein ursprünglich zur Verbesserung des 3D-Drucks entwickeltes Material unerwartet eine Lösung für eine der größten Herausforderungen der Elastomerforschung liefert: ein Material herzustellen, das sowohl äußerst bruchbeständig als auch dauerhaft widerstandsfähig gegenüber wiederholter mechanischer Beanspruchung ist.
Im Mittelpunkt dieses Durchbruchs stehen granulare Doppelnetzwerk-Elastomere, kurz DNGEs. Diese Klasse gummiartiger Materialien wurde 2024 erstmals von Forschenden des Soft Materials Laboratory (SMaL) der EPFL vorgestellt. DNGEs wurden ursprünglich als fortschrittliche „Tinten“ für den 3D-Druck entwickelt. Sie bestehen aus mikroskopisch kleinen Elastomerpartikeln, die durch ein weicheres Elastomernetzwerk miteinander verbunden sind. Mit dieser Architektur können Ingenieure die mechanischen Eigenschaften gedruckter Teile präzise einstellen und zugleich eine bislang unerreichte Kombination aus Festigkeit und Langlebigkeit erzielen.
„Ursprünglich lag unser Schwerpunkt darauf, die Verarbeitbarkeit zu verbessern. Sobald wir jedoch die granulare Struktur hatten, stellten wir fest, dass diese Materialien auch sehr zäh sind“, sagte Esther Amstad, Leiterin des Soft Materials Laboratory. „Dann erkannten wir, dass ein großer Teil dieser Zähigkeit auf wiederholbaren Mechanismen zur Energiedissipation beruht: Das Material konnte immer wieder Energie aufnehmen, ohne irreversibel zu brechen.“
Diese Kombination ist besonders bedeutsam, weil sich Konstrukteure bei den meisten Elastomeren zwischen Bruchbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit entscheiden müssen. Materialien, die Rissbildung widerstehen, verschleißen häufig unter wiederholter Belastung. Materialien, die zahllose Belastungszyklen überstehen, reißen dagegen meist leichter bei plötzlicher Dehnung oder einem Stoß.
Laut Amstad überwinden DNGEs diesen Zielkonflikt, weil „die beiden unterschiedlichen Netzwerke, eines aus granularen Elastomerpartikeln und eines aus weichem Elastomer, die mechanische Dehnung untereinander aufteilen und das Material dadurch insgesamt widerstandsfähiger machen.“
In Laborversuchen erreichten die optimierten DNGEs eine bis zu 15-mal höhere Bruchzähigkeit und eine bis zu dreimal höhere Ermüdungsbeständigkeit als vergleichbare Elastomere. Statt Polymerbindungen aufzubrechen, dissipiert das Material wiederholt Energie, indem Polymerketten in den weicheren Bereichen gegeneinander gleiten und sich neu anordnen.
Die Erkenntnisse versprechen langlebigere 3D-gedruckte weiche Roboter, flexible Elektronik und biomedizinische Geräte, deren Bauteile fortlaufend gebogen, gedehnt und verformt werden. Derzeit untersucht das EPFL-Team biologisch abbaubare und recycelte Elastomere, um die Technologie nachhaltiger zu gestalten.
„Unser Ziel ist es, nachhaltigere Materialien einzusetzen, ohne bei den mechanischen Eigenschaften Kompromisse einzugehen“, sagte Amstad. „Wenn wir die Auswahl verwendbarer Materialien erweitern, können wir nicht nur den ökologischen Fußabdruck der DNGEs verkleinern, sondern sie auch noch mehr Laboren mit einem handelsüblichen 3D-Drucker zugänglich machen.“
