09.09.2020 - Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

Wollähnliches Material kann sich erinnern und seine Form verändern

Das Material könnte in intelligenten Textilien, medizinischen Geräten und mehr verwendet werden

Wie jeder weiß, der schon einmal seine Haare geglättet hat, ist Wasser der Feind. Durch Hitze sorgfältig geglättetes Haar wird in Locken zurückprallen, sobald es mit Wasser in Berührung kommt. Und warum? Weil Haare ein Formgedächtnis haben. Seine Materialeigenschaften erlauben es ihm, seine Form als Reaktion auf bestimmte Reize zu verändern und als Reaktion auf andere wieder in seine ursprüngliche Form zurückzukehren.

Was wäre, wenn andere Materialien, insbesondere Textilien, diese Art von Formgedächtnis hätten? Stellen Sie sich ein T-Shirt mit Kühlöffnungen vor, das sich öffnet, wenn es Feuchtigkeit ausgesetzt ist, und sich schließt, wenn es trocken ist, oder eine Einheitsgröße für alle Kleidungsstücke, die sich auf die Maße einer Person dehnen oder zusammenziehen.

Jetzt haben Forscher an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ein biokompatibles Material entwickelt, das sich in jede beliebige Form 3D-drucken und mit reversiblem Formgedächtnis vorprogrammieren lässt. Das Material wird aus Keratin hergestellt, einem Faserprotein, das in Haaren, Nägeln und Schalen vorkommt. Die Forscher extrahierten das Keratin aus Resten von Agora-Wolle, die bei der Textilherstellung verwendet wird.

Die Forschungsarbeiten könnten dazu beitragen, die Abfallmengen in der Modeindustrie, einem der größten Umweltverschmutzer der Welt, auf breiterer Ebene zu reduzieren. Designer wie Stella McCarthy sind bereits dabei, sich neu zu überlegen, wie die Industrie Materialien, darunter auch Wolle, verwendet.

"Mit diesem Projekt haben wir gezeigt, dass wir nicht nur Wolle recyceln können, sondern dass wir aus der recycelten Wolle Dinge bauen können, die man sich nie zuvor vorstellen konnte", sagte Kit Parker, Professor für Bioingenieurwesen und angewandte Physik der Familie Tarr am SEAS und leitender Autor der Arbeit. "Die Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit der natürlichen Ressourcen sind klar. Mit rezykliertem Keratinprotein können wir genauso viel oder sogar mehr tun als das, was bisher durch das Scheren von Tieren getan wurde, und damit die Umweltauswirkungen der Textil- und Modeindustrie reduzieren.

Der Schlüssel zu den formverändernden Fähigkeiten des Keratins ist seine hierarchische Struktur, sagte Luca Cera, Postdoc-Stipendiat bei SEAS und Erstautor der Arbeit.

Eine einzelne Kette von Keratin ist in einer federartigen Struktur angeordnet, die als Alpha-Helix bezeichnet wird. Zwei dieser Ketten verdrehen sich zu einer Struktur, die als gewundene Spirale bezeichnet wird. Viele dieser gewickelten Spulen werden zu Protofilamenten und schließlich zu großen Fasern zusammengesetzt.

"Die Organisation der Alpha-Helix und die verbindenden chemischen Bindungen verleihen dem Material sowohl Festigkeit als auch Formgedächtnis", sagte Cera.

Wenn eine Faser gedehnt oder einem bestimmten Reiz ausgesetzt wird, wickeln sich die federartigen Strukturen ab, und die Bindungen richten sich neu aus, um stabile Beta-Folien zu bilden. Die Faser bleibt in dieser Position, bis sie ausgelöst wird, um sich wieder in ihre ursprüngliche Form zurückzurollen.

Um diesen Prozess zu demonstrieren, haben die Forscher Keratinplatten in verschiedenen Formen 3D-gedruckt. Sie programmierten die permanente Form des Materials - die Form, in die es immer zurückkehrt, wenn es ausgelöst wird - mit einer Lösung aus Wasserstoffperoxid und Mononatriumphosphat.

Sobald das Gedächtnis eingestellt war, konnte das Blatt umprogrammiert und in neue Formen gegossen werden.

Zum Beispiel wurde eine Keratinfolie als dauerhafte Form zu einem komplexen Origami-Stern gefaltet. Sobald das Gedächtnis eingestellt war, tauchten die Forscher den Stern in Wasser ein, wo er sich entfaltete und formbar wurde. Von dort aus rollten sie die Folie zu einem engen Rohr zusammen. Sobald die Folie trocken war, wurde sie als voll stabiles und funktionsfähiges Rohr eingeschlossen. Um den Prozess umzukehren, legten sie das Rohr wieder in Wasser, wo es sich entrollte und zu einem Origami-Stern zurückfaltete.

"Dieser zweistufige Prozess des 3D-Druckens des Materials und des anschließenden Festlegens seiner dauerhaften Formen ermöglicht die Herstellung wirklich komplexer Formen mit Strukturmerkmalen bis in den Mikrometerbereich", sagte Cera. "Dadurch eignet sich das Material für eine Vielzahl von Anwendungen, von der Textil- bis zur Gewebetechnik.

"Ganz gleich, ob Sie solche Fasern zur Herstellung von Büstenhaltern verwenden, deren Körbchengröße und -form täglich angepasst werden kann, oder ob Sie versuchen, Betätigungstextilien für medizinische Therapeutika herzustellen, die Möglichkeiten von Lucas Arbeit sind breit gefächert und aufregend", sagte Parker. "Wir sind weiterhin dabei, Textilien neu zu erfinden, indem wir biologische Moleküle als technische Substrate verwenden, wie sie noch nie zuvor verwendet wurden".

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