Forschende der ETH Zürich erreichten erstmals einen Formgedächtniseffekt bei Objekten, die nur wenige Nanometer dick sind. Damit wäre es möglich, winzige Maschinen und kleine Roboter im Nanomaßstab herzustellen, die auch in der Medizintechnik angewendet werden könnten.
Legierungen, die nach Verformungen zu ihrer Ausgangsstruktur zurückwechseln können, besitzen ein sogenanntes Formgedächtnis. Dieses Phänomen und die daraus resultierenden Kräfte werden in vielen maschinellen Antriebssystemen angewendet, beispielsweise bei Generatoren oder Hydraulikpumpen. Jedoch konnte dieser Formgedächtniseffekt bisher nicht im kleinen Nanobereich genutzt werden: Bei vielen Legierungen mit Formgedächtnis wechseln Objekte nur dann in ihre Ursprungsform zurück, wenn sie größer als rund 50 Nanometer sind.
Forschende um Salvador Pané, und Xiang-Zhong Chen, Wissenschaftler in dieser Gruppe, konnten diese Einschränkung mithilfe von keramischen Stoffen umgehen. In einer Studie, die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, demonstrieren sie den Formgedächtniseffekt an einer etwa zwanzig Nanometer dicken Schicht aus Materialien, die als ferroische Oxide bezeichnet werden. Diese Errungenschaft ermöglicht die Anwendung des Formgedächtniseffekts nun auch bei winzigen Maschinen im Nanobereich.
Dank ihrer hohen Elastizität könnten die Oxide Muskelfasern oder Teile der Wirbelsäule ersetzen. „Eine weitere Anwendung wären neuartige nanoskalige Robotiksysteme: Die mechanische Bewegung, die beim Umschalten der beiden Strukturformen entsteht, könne zum Antrieb kleinster Motoren verwendet werden“, sagt Donghoon Kim. Er hat als Doktorand an dieser Studie gearbeitet und ist einer ihrer beiden Erstautoren. „Darüber hinaus könnte unser Ansatz auch die Entwicklung von langlebigeren Nanomaschinen ermöglichen, da unser Material nicht nur elastisch, sondern auch dauerhaft ist“, erklärt Minsoo Kim, Postdoc und ebenfalls Erstautor.