Vorbild Blüte: Komplexe Strukturen aus dem 3D-Drucker

Cambridge (USA) - Wie von selbst öffnen sich Blüten bei Sonnenaufgang. Diese natürliche Selbstorganisation übertrugen amerikanische Wissenschaftler nun auf komplexe Strukturen, die sie mit einem 3D-Drucker schnell und einfach herstellten. In der Fachzeitschrift „Nature Materials“ zeigen sie, wie mit einer ausgeklügelten Mischung aus weichen Kunststoffen und härteren Zellulosefasern beliebige Objekte gedruckt werden konnten, die sich selbstständig zu dreidimensionalen Formen umwandelten. Dieses Verfahren – biomimetischer 4D-Druck genannt – könnte die Entwicklung von autonomen Robotern, künstlichem Gewebe oder auch intelligenten Textilien weiter voran treiben. Prinzipiell beschreibt der 4D-Druck ein Objekt aus einem 3D-Drucker, das danach seine Form ändert.

„Mit unserem Ansatz für 4D-Druck lassen sich Strukturen mit zuvor festgelegten Funktionen erschaffen“, sagt Lakshminarayanan Mahadevan von der Harvard University in Cambridge. Mit seinen Kollegen entwickelte er zuerst ein Hydrogel, das quasi als Druckertinte genutzt wurde. In diesem Hydrogel vermischten die Forscher Zellulosefasern, winzige Tonpartikel und Kunststoff-Monomere miteinander. Die Flüssigkeit ließ sich mit einem 3D-Drucker schichtweise in beliebige Strukturen anordnen. Ausgehärtet unter ultraviolettem Licht entstanden komplexe Objekte, die sich bei der Aufnahme von Flüssigkeit entsprechend des Designs des Objekts verformten. Auch reversible Verformungen über wechselnde Temperaturen waren in Abhängigkeit von den Zutaten der Tinte möglich.

Die digitalen Vorlagen für den 3D-Druck der sich selbstständig verformenden Objekte entstanden über komplexe mathematische Modelle. Jeder zu verformende Abschnitt eines Objekts bestand dabei aus einem zweischichtigen System. Jeweils eine dieser Schichten konnte Wasser aufsaugen, schwoll dadurch an und bog das gesamte Objekt in eine dreidimensionale Struktur. Die zweite Schicht diente dabei der Stabilisierung. Mahadevan und Kollegen kreierten nach diesem Prinzip etwa eine künstliche Orchideenblüte oder eine fünfblättrige Ringstruktur, bei der sich die einzelnen Blätter zu kleinen Schaufeln verformten. Bei der Aufnahme von Wasser dauerte dieser Wandlungsprozess eine knappe halbe Stunde.

Mit diesen komplexen Objekten belegen die Wissenschaftler, dass sich mit einem 3D-Drucker und geeigneter Tinte eine nahezu unerschöpfliche Vielfalt an sich selbst verformenden Strukturen eröffnet. Je nach Anwendungsgebiet – Robotik, medizinische Implantate, intelligente Kleidung – könnten Objekte mit der jeweils gewünschten Gestalt entwickelt werden. In weiteren Versuchen wäre es möglich, der Tinte andere Materialien wie Flüssigkristalle oder metallische Nanostäbchen beizumischen. Damit könnten den Objekten etwa elektrische Leitfähigkeit, Schaltvermögen und weitere Eigenschaften verliehen werden.

Aber bis zur Einsatzreife solcher gedruckten, sich selbst organisierenden Strukturen werden wohl noch einige Jahre vergehen. Dessen sind sich auch chinesische Forscher um Hongzhi Wang von der Donghua University in Shanghai bewusst. Ohne 3D-Drucker entwickelten sie vor einigen Monaten ein Material auf der Basis von Graphen, das sich bei der Zugabe von Wasser kontrolliert falten und sogar bewegen konnte. Dazu verknüpften die Forscher hauchdünne Schichten aus Graphenoxid in einem nasschemischen Verfahren mit einem Kunststoff (Polydopamin). So entstand ein nur einige millionstel Millimeter dünnes Papier, das Wasser auf einer Seite aufnehmen konnte und auf der anderen Seite abstieß.

Im feuchten Zustand lag dieses Papier flach auf einer Unterlage. Wurde es mit Infrarotstrahlung beleuchtet und angetrocknet, faltete es sich binnen zwei Sekunden entlang vorher definierter Knicke auf. Danach schalteten die Wissenschaftler das Licht wieder aus. Eine Luftfeuchte von nur 40 Prozent reichte aus, damit das Papier wieder Wasser aufnahm und sich die Struktur innerhalb von drei Sekunden wieder glättete. Vorteil dieses Ansatzes ist die einfache Umsetzbarkeit. Doch erlaubt die Methode bei weitem nicht die Formenvielfalt des nun entwickelten 4D-Drucks.