Selbstheilende, extrem dehnbare Kabel aus flüssigem Metall

Kabelentwicklung Selbstheilende, extrem dehnbare Kabel aus flüssigem Metall

26.03.2013Autor / Redakteur: Kristin Rinortner * / Kristin Rinortner

Amerikanische Wissenschaftler haben ein extrem elastisches Kabel entwickelt, das nach einer Beschädigung wieder verheilt und nach einem Durchtrennen wieder zusammenwächst.

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Bild 2: Der Prototyp des Kabels beim Durchschneiden mit einer Schere
(Bild NC State)

Durchtrennt man diese selbstheilenden Kabel und fügt die Enden wieder zusammen, wird innerhalb von zehn Minuten sowohl die mechanische als auch die elektrische Funktion wieder hergestellt. Möglich machen dies selbstheilende Polymere und flüssige Metalle.

Als flüssige Metalle bezeichnet die Materialwissenschaft Reinstoffe oder Legierungen, die bei Raumtemperatur in flüssiger Form vorkommen. Als bekanntester Metallvertreter ist hier sicherlich Quecksilber (Schmelztemperatur –38,83 °C) zu nennen.

Nach Cäsium weist auch Gallium besondere Eigenschaften diesbezüglich auf. Denn das Metall schmilzt bei erhöhter Zimmertemperatur, bei 29,76 °C. Es zeichnet sich aber auch durch einen Siedepunkt von 2403 °C aus und hat damit den größten Flüssigkeitsbereich aller Metalle. Legiert man Gallium z.B. mit Indium, bildet sich ein sogenanntes Eutektikum aus, das den Schmelzpunkt weiter erniedrigt. Je nach Galliumgehalt lässt sich der Schmelzpunkt bis auf 3 bis 5 °C (Ga ca. 75%) senken.

Diese Eigenschaften der Flüssigmetall-Legierung Ga-In haben sich Wissenschaftler der North Carolina State University in Raleigh (USA) zunutze gemacht und ein sehr dehnbares, selbstheilendes Kabel entwickelt.

Die Gruppe um den Assistenzprofessor für chemische und biomolekulare Ingenieurwissenschaften Michael Dickey testete dazu verschiedene kommerziell erhältliche selbstheilende Polymere hinsichtlich ihrer Eignung als Kabelmantel und Trägerwerkstoff. Ausgewählt wurde der flexible Kunststoff Polydimethylsiloxan (PDMS), aus dem die Gruppe zuvor bereits flexible Antennen hergestellt hatte.

Bild 1: Prinzipieller Aufbau des selbstheilenden Kabels. In der Mitte des Polymermantels ist der Kanal mit dem flüssigen Metall zu sehen.
(Bild: NC State)

In den Kunststoff haben die Wissenschaftler mithilfe von Drähten winzige Tunnel eingebracht, sogenannte mikrofluidische Kanäle, die sie mit dem flüssigen Metall der Ga-In-Legierung füllten. Wie alle Metalle ist diese Legierung ein guter Stromleiter. Somit entsteht quasi ein Kabel, das Flüssigmetall ist der Leiter im Kunststoffmantel (Bild 1). Der Draht mit dem flüssigen Metallkern und dem Kunststoffmantel kann bis auf das Achtfache seiner Länge gedehnt werden.

Durchtrenntes Kabel wächst wieder leitend zusammen

Das ist aber noch nicht alles: Werden die Kabel an- oder durchgeschnitten, bildet sich eine Oxidschicht aus, die wie eine „Haut“ das Auslaufen der Legierung verhindert (Bild 2). Fügt man die getrennten Enden wieder zusammen, verbindet sich die Legierung wieder und der Kunststoffmantel bildet seine molekularen Bindungen neu. Nach etwa zehn Minuten sind die Kabelenden wieder „verwachsen“ und die elektrische Leitfähigkeit ist wieder hergestellt. Die Wissenschaftler demonstrieren diesen Selbsheilungseffekt eindrucksvoll in einem Video.

Die selbstheilenden Kabel haben ein großes technologisches Potenzial, insbesondere bei stark beanspruchten Anwendungen unter harten Umgebungsbedingungen, davon ist Dickey überzeugt. „Mit dieser Entwicklung lassen sich darüber hinaus komplexe Schaltungen herstellen oder bestehende Schaltungen einfach mit einer Schere neu verdrahten.“, erklärt Dickey.

Die Technik könnte ebenfalls dazu verwendet werden zwei- und dreidimensionale Strukturen mit Mikrofluid-Netzwerken herzustellen. Man müsst dazu nur das selbstheilende Kabel auseinander schneiden und in verschiedenen Winkeln passgenau zusammenstecken.

Im Prinzip wären die elastischen, selbstheilenden Kabel auch für den Anschluss von Kopfhörern oder Ladegeräten für mobile Applikationen geeignet. Aufgrund des hohen Preises der flüssigen Metalllegierung ist die Überführung in die Massenproduktion allerdings eher unwahrscheinlich. Für Nischenanwendungen wie die Raumfahrt oder spezielle elektrische Kontaktierungen sowie in der Mikrofluidtechnik könnten die selbstheilenden Kabel durchaus interessant werden.

* Kristin Rinortner ist Fachredakteuerin bei Elektronikpraxis

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