Neue Technologie: Blüte aus dem 3-D-Drucker

Wie von selbst öffnen sich Blüten bei Sonnenaufgang. Diese natürliche Selbstorganisation übertrugen amerikanische Wissenschaftler nun auf komplexe Strukturen, die sie mit einem 3-D-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, die sich selbstständig zu dreidimensionalen Formen umwandeln. Dieser biomimetische 4-D-Druck könnte die Entwicklung von autonomen Robotern, medizinischen Implantaten oder auch intelligenten Textilien weiter vorantreiben.

„Mit unserem Ansatz für 4-D-Druck lassen sich Strukturen mit zuvor festgelegten Funktionen erschaffen“, sagt Lakshminarayanan Mahadevan von der Harvard-Universität in Cambridge. Mit seinen Kollegen entwickelte er zuerst ein Hydrogel, das quasi als Druckertinte genutzt wird. In diesem Hydrogel vermischen die Forscher Zellulosefasern, winzige Tonpartikel und Kunststoff-Monomere miteinander. Die Flüssigkeit lässt sich mit einem 3-D-Drucker schichtweise in beliebige Strukturen anordnen. Ausgehärtet unter ultraviolettem Licht entstehen komplexe Objekte, die sich bei der Aufnahme von Flüssigkeit entsprechend des Designs des Objekts verformen. Auch Verformungen, die bei wechselnden Temperaturen wieder ihre Ausgangsform annahmen, waren möglich.

Die digitalen Vorlagen für den 3-D-Druck entstanden über komplexe mathematische Modelle. Jeder zu verformende Abschnitt eines Objekts besteht dabei aus einem zweischichtigen System. Jeweils eine dieser Schichten kann Wasser aufsaugen, schwillt an und biegt das Objekt in eine dreidimensionale Struktur. Die zweite Schicht dient der Stabilisierung. Mahadevan und seine Kollegen kreierten nach diesem Prinzip etwa eine künstliche Orchideenblüte oder eine fünfblättrige Ringstruktur, bei der sich die Blätter zu kleinen Schaufeln verformten. Bei der Aufnahme von Wasser dauerte die Verwandlung eine knappe halbe Stunde.

In weiteren Versuchen wäre es möglich, der Tinte andere Materialien wie Flüssigkristalle oder metallische Nanostäbchen beizumischen, meinen die Forscher. Damit könnten den Objekten etwa elektrische Leitfähigkeit, Schaltvermögen und weitere Eigenschaften verliehen werden. Aber bis zur Einsatzreife werden wohl noch einige Jahre vergehen. (wsa)