Werden beim Strecken dicker und beim
Zusammendrücken dünner: Simulationen identifizieren auxetische
Moleküle.
Unsere alltägliche Erfahrung lehrt uns, dass ein
Gegenstand, den man streckt, dünner wird. Drückt man ihn zusammen,
wird er dicker. Aber es gibt auch Materialien, die sich so ganz
entgegen unserer Intuition verhalten: Sie werden beim Strecken dicker
und beim Zusammendrücken dünner. Zu diesen als "auxetisch"
bezeichneten Stoffen zählen einige Schäume und spezielle Kristalle.
Forscher von der Bar-Ilan University und dem Israel Institute of
Technology haben nun anhand quantenmechanischer Computerberechnungen
erstmalig eine chemische Verbindungsklasse identifiziert, die sich
bereits auf molekularer Ebene auxetisch verhält.
Werden "normale" Materialien beispielsweise von
einem Ball getroffen, "fließt" das Material weg von der Aufprallzone
und schwächt diese Stelle. In auxetischen Stoffen dagegen "fließt" das
Material in die Aufprallzone hinein und verstärkt diese. Solche
Materialien wären der richtige Stoff für kugelsichere Westen. Aber
auch für die Medizintechnik ergeben sich interessante Perspektiven.
Das Einführen von Implantaten sowie Stents zum Offenhalten von
Blutgefäßen ließe sich erleichtern, wenn das Teil unter Druck in
Querrichtung dünner statt dicker werden würde.
Bei den bisher bekannten auxetischen Stoffen ist
das auxetische Verhalten eine makroskopische Eigenschaft und beruht
auf einer speziellen Anordnung der Teilchen innerhalb des Materials,
etwa einer bestimmten wabenartigen Struktur. Auxetisches im
Nanomaßstab war bisher jedoch unbekannt.
Anhand quantenmechanischer Berechnungen sagt das
Team um Shmaryahu Hoz nun voraus, dass es auch bestimmte Moleküle
gibt, die sich auxetisch verhalten: Polyprismane nennt sich die
Verbindungsklasse. Es handelt sich dabei um stäbchenförmige Moleküle,
die aus mehreren aufeinander gestapelten Ringen aus drei, vier, fünf
oder sechs Kohlenstoffatomen aufgebaut sind. Die Dreiring- und die
Vierring-Prismane zeigen, unabhängig von der Anzahl der gestapelten
Ringe, in etwa gleich große auxetische Effekte. Die Fünf- und die
Sechsring-Prismane weisen einen deutlich höhreren auxetischen Effekt
auf. Von allen durchgerechneten Varianten zeigte das Prisman aus vier
Sechsringen den stärksten Effekt. Warum sich Prisman-Moleküle
auxetisch verhalten, konnten die Forscher noch nicht eindeutig klären.
"Obwohl Prismane bereits vor mehr als 30 Jahren
entdeckt wurden, hat man bisher erst wenige Vertreter dieser Klasse
synthetisiert," sagt Hoz. "Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse ein
Ansporn sein werden, weitere Prismane herzustellen und zu
charakterisieren."
