Das Anti-Gummi

Die Disziplin der Auxetik entwickelt Materialien, die sich ganz anders verhalten als gewohnt. Sie werden breiter, wenn man sie auseinanderzieht.

Kollegen hielten Ken Evans für verrückt. Der Professor an der britischen Universität Exeter stellte sich an einem Junitag 2010 hinter einen lichtdurchlässigen Vorhang und zündete eine wenige Meter entfernte Handgranate. Der Stoff blieb heil – und der Forscher gilt seither als Koryphäe in der Disziplin der Auxetik, abgeleitet vom griechischen Wort auxeos für dehnbar.

Der Spezialstoff verhält sich exakt umgekehrt, als man es gemeinhin kennt. Trifft etwa eine Kugel auf eine herkömmliche Schutzweste, "fließt" das Material weg von der Aufprallzone und schwächt diese Stelle. In auxetischen Stoffen dagegen wandert das Material in die Aufprallzone hinein und verstärkt sie. Aus dem gleichen Grund verdickt sich ein auxetisches Band, wenn man es auseinanderzieht – statt dünner zu werden. Denn es weitet sich nicht längs, sondern quer zur Zugrichtung.

Rein mathematisch ist dieses Phänomen schon lange bekannt. Vor zweihundert Jahren entwickelte der französische Physiker Siméon Denis Poisson (1781–1840) eine Formel für die Berechnung, in welchem Verhältnis sich Dicke und Länge ändern, wenn Materialien auseinandergezogen werden. Diese "Poissonzahl" ist bei fast allen Stoffen positiv. Sie kann aber auch negativ sein – zumindest theoretisch.

Lange blieb die Erkenntnis tatsächlich reine Theorie. "In der Praxis wurde sie bis vor Kurzem nicht genutzt", sagt Carolin Körner. Damit soll nun Schluss sein. Die Materialwissenschaftlerin von der Erlanger Friedrich-Alexander-Universität will die materiellen Eigenschaften – etwa Steifigkeit – so verändern, dass sich daraus auxetische Produkte erzeugen lassen. Dabei kommt es weniger auf das verwendete Material an als vielmehr auf dessen innere Struktur, also die Art und Weise, wie die molekularen Bausteine miteinander verbunden sind.

Die Forscherin simuliert am Rechner zunächst verschiedenste Gitter- und Wabenstrukturen. "Das Entscheidende sind die Hohlräume. Sie werden so angeordnet, dass sich das Innere des Materials beim Ziehen nicht in Zugrichtung zusammenfaltet, sondern quer dazu in die Breite geht", sagt Körner. Sind die Simulationen vielversprechend, baut ihr Team die Struktur schichtweise aus Kunststoff- oder Metallpulver auf. Dazu schmilzt beziehungsweise verklebt ein Elektronenstrahl das Pulver an zuvor exakt berechneten Stellen.

Einen anderen Ansatz wählen die Forscher der Applied Auxetics GmbH, einer Ausgründung der TU Dortmund. Sie versuchen, konventionelle Werkstoffe wie Aluminium mittels intelligenter Materialmanipulation in auxetische Stoffe zu verwandeln. "So umgehen wir den Schritt, ein neues Material zu produzieren", erklärt Geschäftsführer Marcel Walkowiak. "Auxetische Makrostrukturen lassen sich in bestehende Produktionsprozesse integrieren." In Blech etwa schmilzt das Team mit Laser an zuvor berechneten Stellen wabenförmige Minilöcher. Das Material hat dadurch Spielraum, sich bei einem Zusammenprall noch zu verdichten und eignet sich damit etwa für crashsichere Autokarosserien.

Außerdem, so ergaben Messungen, dämpfen auxetische Materialien um das Dreifache besser als vergleichbare Stoffe. Entsprechend konstruierte Sturzhelme, Schienbeinschützer und Stoßdämpfer könnten Erschütterungen effektiver abfedern. Körner zufolge eignen sich die Stoffe ebenfalls als Knochenimplantat. Nimmt der Druck zu, versteifen sie die Implantate und verschleißen nicht so schnell. Noch gibt es all diese Wunderprodukte nur als Prototypen in Laboren. Denn es fehlen geeignete Produktionsverfahren. Ein auxetischer Fahrradhelm würde derzeit mindestens das Doppelte eines herkömmlichen kosten.

Für ein Produkt immerhin scheint die Zeit gekommen zu sein. "In fünf Jahren", prophezeite Wundervorhang-Entwickler Ken Evans 2010, "dürfte unser Stoff marktreif sein – vorausgesetzt er erfüllt alle unsere Erwartungen." Die letzten Testergebnisse werden in den nächsten Monaten erwartet. (bsc)