Pumpende Schläuche aus Flüssigkristall-Filmen

Ziel unser Forschung ist es, relativ große mechanische Effekte mit möglichst kleinen Spannungen zu erzeugen, erklärt Physiker Walter Lehmann. Elektrostriktion nennen die Wissenschaftler den grundlegenden Mechanismus. Dabei zieht sich ein Material zusammen, wenn es einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. “Grundsätzlich passiert das bei jedem Material, aber mit unseren Flüssigkristall-Folien halten wir zur Zeit den Weltrekord”, so Lehmann.

Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift “Nature” berichten, setzten sie eine etwa ein Quadratmillimeter große und nur 75 Nanometer dünne Folie elektrischen Spannungen aus. Nur wenige Volt reichten aus, die Dicke der Folie um etwa vier Prozent schrumpfen zu lassen. Wird die Spannung wieder ausgeschaltet, schwillt die Folie wieder auf die ursprüngliche Dicke an.

Erreicht wird diese Bewegung durch eine Phalanx senkrecht stehender Flüssigkristalle, die durch langkettige Kunststoff-Moleküle zusammengehalten werden. Etwa 20 dieser Flüssigkristallschichten haben die Forscher in ihrer Folie übereinander gestapelt, um einen nutzbaren Effekt zu erreichen. Wird die Spannung angelegt, kippen die Flüssigkristalle aus ihrer senkrechten Stellung ab und die Folie wird dünner.

“Ein winziger Schlauch aus diesem Material könnte zum Beispiel kleine Insulinmengen bedarfsabhängig in den Blutkreislauf abgeben”, stellt sich Gruppenleiter Professor Friedrich Kremer eine Anwendung vor. “Das neue Material erzeugt dabei die notwendige Pumpwirkung über kleine Spannungen, die für den Menschen harmlos sind”, so Kremer. Zudem wäre die Insulinpumpe klein genug, um in den Körper des Patienten dauerhaft implantiert zu werden.

In Zukunft könnte dann die Dicke der Folie entlang dieses Schlauches durch kleine Spannungen gezielt verändert werden. Dadurch entstünde eine Wellenbewegung über die eine Flüssigkeit transportiert werden kann – vergleichbar der peristaltischen Bewegung im Darm.

“Der Effekt ist auch umkehrbar, so dass durch Druck auf eine Flüssigkristallfolie messbare Spannungen erzeugt werden können”, weist Kremer aus einen weiteren Anwendungsbereich hin. So könnte diese Folie in einer Herzkammer bisher nicht messbare Druckunterschiede wahrnehmen.

Wegen ihrer geringen Größe hätte sie kaum Einfluss auf die Umgebung, so dass sie mit einem geringen Risiko bei Herzpatienten implantiert werden könnte. Bisher nicht messbare Fehlfunktionen könnten so früher erkannt und schneller behandelt werden.

Eine mögliche wirtschaftliche Anwendung vor Augen, hat Kremer bereits ein Patent auf die bewegliche Folie angemeldet. “Nun suchen wir noch einen Partner in der Industrie, der mit uns die Technik weiterentwickelt”, so Kremer.