Elektrochemische Reaktionen beschleunigen Materialumwandlung

Architected Materials mit Form-Erinnerung

Die koreanischen Forscher Seung-Yeol Jeon und Sung Hoon Kang berichten in Nature unter dem Titel “Electrochemical reactions drive morphing of materials” über ein Forschungsergebnis aus den USA zum Thema “Electrochemically reconfigurable architected materials”*): “Siliziumanoden in Lithium-Batterien dehnen sich bei der Entladung aus und verursachen Ausfälle. Diese Erweiterung wurde konstruktiv in einem Material eingesetzt, dessen Architektur sich kontrollierbar und reversibel verändert, um seine Funktion zu verändern”.

Wird Druck auf einen Gummiblock ausgeübt, wird er flach, kehrt aber bei Nachlassen des Drucks in seine ursprüngliche Form zurück – die Formumwandlung gilt als flüchtig. Aber wenn der gleiche Druck auf Play-Doh (Knete) ausgeübt wird, bleibt die neue Form auch ohne Druck bestehen. Ein solcher Unterschied ist auf inhärente Unterschiede in den Eigenschaften der einzelnen Materialien zurückzuführen und nicht auf die Art der hergestellten Form – es ist nicht möglich, die Volatilität der Formänderungen eines Materials bei Bedarf ein- oder auszuschalten. Xia et al. berichten in Nature von einer Art “gebautem” Material (Architected Material), bei dem die Volatilität der Formumwandlung durch Steuerung einer angelegten Ladung und der Geometrie von Unterstrukturen im Material unter Verwendung elektrochemischer Reaktionen, die in Batterien auftreten, moduliert werden kann.

Architected Materials (auch: Verbundwerkstoffe) sind eine neue Materialklasse, in der durch sorgfältige Anordnung von Unterbauelementen erwünschte Eigenschaften erreicht werden. Viele Forscher versuchen, normale (nicht gebaute) Materialien zu entwickeln, um Architected Materials herzustellen, die die außergewöhnlichen Eigenschaften von Naturmaterialien aus anderen Verbindungen oder Elementen oder ungewöhnliche Eigenschaften aufweisen, die in der Natur nicht vorkommen. Architected Materials können sehr unterschiedlichere Eigenschaften aufweisen als ihre analogen, nicht-Architected Materials .

Viele Arbeiten über Architected Materials haben versucht, “intelligente” Materialien zu entwickeln, die ihre Form und damit ihre Funktion verändern, indem sie auf Reize wie Temperatur, Feuchtigkeit oder Magnetfelder reagieren – ähnlich wie die Fähigkeiten der Roboter in den Transformers-Filmen. Das Verbiegen von Eisenbahngleisen bei heißem Wetter hat eine Strategie zur Induzierung großer Form- und Eigenschaftsänderungen inspiriert: Ähnliche Veränderungen eingeschränkter Unterkonstruktionen in Materialien wurde durch mechanische Belastungen oder durch kontrolliertes Quellen infolge Aufnahme eines Lösungsmittels ausgelöst.

Bisher berichtete Ansätze zur Erzeugung von durch Knickung induzierten Formänderungen beinhalten jedoch eine endliche Anzahl von Formkonfigurationen (in der Regel zwei) und können die Volatilität der Formtransformation eines Materials nicht verändern. Das heißt, entweder muss ein externer Reiz aufrechterhalten werden, um die neuen Formen zu erhalten (wie im Fall des Gummiblocks), oder die Architected Materials erhalten ihre ursprüngliche Form nicht wieder, wenn der externe Reiz entfernt wird (wie bei Play-Doh).

Strukturelle Rekonfiguration eines Materials durch elektrochemische Reaktionen. a, Xia et al. berichten von einem “‘architected” material, dessen mikroskopische Struktur aus einem 3D-Käfiggitter besteht, das eine äußere Beschichtung aus Silizium aufweist. Wenn Lithiumionen durch elektrochemische Reaktionen in das Silizium geladen werden, dehnt sich das Silizium aus, wodurch sich das Gitter verformt. Die Verformung ist reversibel, und das Ausmaß der Verformung hängt von der Menge an Lithium ab, die im Silizium eingeschlossen ist. b, Die Verformung kann präzise gesteuert werden, um Änderungen in der Form des geformten Materials zu bewirken. Skalenbalken: 15 Mikrometer. Bild © nature.com

Xia et. al. überwanden dieses Problem, indem sie einen neuen Ansatz zur Induktion von Formtransformationen anwendeten. Sie begannen mit der Herstellung eines käfigartigen 3D-Gitters (Abb. 1a) aus einem Polymer mit einem 3D-Drucker und beschichteten das Gitter anschließend nacheinander mit einer Nickelschicht und einer Siliziumschicht. Silizium wird als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien verwendet, die sich entladen, indem sie Lithium-Ionen von ihrer Kathode zur Anode bewegen. Siliziumanoden dehnen sich bei Vollbelastung mit Lithium um etwa 300% aus, und die Autoren nutzten diese elektrochemische Umwandlung als externen Stimulus, um Knickungen in ihrem Architekturmaterial auszulösen. Der Ansatz von Xia und Kollegen baut auf früheren Arbeiten auf, bei denen wabenartige Siliziumstrukturen beobachtet wurden, die sich bei der Belastung mit Lithiumionen verformen.

Folgt: Produktionsdauer noch sehr lange