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Rätsel auxetischer Stoffe gelöst?

Was passiert mit einem Gegenstand, wenn man ihn an beiden Enden nimmt und in die Länge zieht? Er dehnt sich aus und wird dabei dünner. Nicht ganz so einfach ist das mit auxetischen Materialien. Denn diese werden dicker, wenn man sie streckt.

Physik 06.08.2010

Der Wissenschaftler Joseph N. Grima von der Universität von Malta hat eine neue Lösung für das Phänomen "Auxetik" entdeckt. In einem mathematischen Modell erklären er und sein Team den strukturellen Aufbau auxetischer Stoffe. Diese sollen aus Quadraten und Rechtecken bestehen, die an bestimmten Eckpunkten zusammenhängen. Zieht man das Material nun auseinander, entstehen "Löcher". Das bedeutet, dass der auxetische Stoff dann zwar verhältnismäßig größer wird, die Dichte dabei aber abnimmt. (Beispielgrafik)

Die Studie:

"Auxetic behavior from connected different sized squares and rectangles" von Joseph N. Grima et al. aus dem Journal Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences.

Lange bekannt, lange ignoriert

Die Auxetik ist der Wissenschaft seit knapp hundert Jahren bekannt. Entdeckt wurde sie laut eines Artikels des Onlinedienstes von "Science" vom deutschen Physiker Woldemar Voigt. Dieser untersuchte Kristalle und stieß dabei auf die auxetische Eigenschaften von Pyrit (Katzengold). Voigt konnte sich die Veränderung des Metalls nicht erklären; damals gab es außerdem nicht die notwendigen Mittel, den Effekt zu untersuchen. So wurde die Auxetik einfach für einige Zeit ignoriert.

Vor circa 30 Jahren begann man erneut, sich mit auxetischen Materialien zu beschäftigen. Damals verglich man die Ausdehnung der Materialien mit Polymeren in Honigwaben-Struktur (siehe Video). Diesem Modell zufolge enthält ein auxetischer Gegenstand "Löcher" in seiner Struktur, die einfach größer werden, je stärker man den Gegenstand auseinander zieht.

Innovationen für Bautechnik und Medizin möglich

Physikalisch charakterisiert werden auxetische Stoffe durch eine negative Poissonzahl. Die Poissonzahl beschreibt das Verhältnis aus relativer Dickenänderung zur relativen Längenänderung bei Einwirkung einer äußeren Kraft oder Spannung. Ist diese Zahl positiv, verhält sich der Gegenstand so, wie die meisten Menschen es erwarten: Er dehnt sich aus und wird dabei dünner. Auxetische Materialien haben hingegen eine negative Possionzahl, dh. sie verhalten sich genau umgekehrt: Sie werden dicker, obwohl man sie auseinander zieht.

Die neuen Erkenntnisse von Joseph N. Grima sind durchaus anwedungsorientert. So könnte man die Eigenschaften auxetischer Materialien zum Beispiel in der Medizin oder der Bautechnik verwenden. Grima und sein Team sprechen etwa von einem Verband, der Wirkstoffe absondert, wenn die Wunde darunter anschwillt. Eine andere Möglichkeit wäre auxetische Stoffe zu verwenden, um Gebäude erbebensicher zu konstruieren.

Günter Stummvoll, science.ORF.at

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