Hauchdünne Schallschlucker: Metamaterialien erreichen den Markt
Neue Materialien, die scheinbar die Physik auf den Kopf stellen, waren lange reine Grundlagenforschung. Jetzt werden sie in erste Produkte eingebaut.
Das Start-up Phononic Vibes hat eine dünne, transparente Schallschutzwand aus Metamaterial entwickelt.
(Bild: Photonic Vibes s.r.l.)
Dass Metamaterialien überhaupt zu einem populären Forschungsthema geworden sind, könnte mit einer cleveren PR-Idee von zwei britischen Forschern zusammenhängen. Denn eigentlich wollten die Physiker John Pendry und Ulf Leonhardt Anfang der 2000er nur auf ihr neues Forschungsgebiet aufmerksam machen. Um das hochgradig abstrakte Thema attraktiver zu machen, ersannen die Theoretiker aber eine fiktive Anwendung: Ein Material, das Licht um ein Objekt herumleitet und es so unsichtbar macht: Metamaterial.
Die Idee eines Unsichtbarkeitsmantels für sichtbares Licht ist bis heute fiktiv geblieben, aber die Erforschung von Metamaterialien hat zahlreiche Ableger hervorgebracht: Es gibt nicht mehr nur optische Metamaterialien, es gibt akustische Metamaterialien, die Schall manipulieren, thermische Metamaterialien, in denen die Wärmeleitung gelenkt wird und mechanische Metamaterialien, zum Beispiel Festkörper, die sich wie Flüssigkeiten verhalten, oder Materialien, deren Steifigkeit und Dämpfung gezielt und reversibel geändert werden kann. Jetzt kommt diese Technologie vom Labor in die Produktion, berichtet MIT Technology Review in seiner aktuellen Ausgabe 08/2021.
Metamaterialien mit fantastischen Eigenschaften
Im Grunde genommen bestehen all diese Materialien aus elementaren Bausteinen – so genannten Einheitszellen – aus beliebigen Ausgangsstoffen. Die fantastischen Eigenschaften der Metamaterialien entstehen dadurch, dass aus diesen Zellen ein Quasi-Atomgitter aufgebaut wird, deren Bestandteile kleiner sind als die Wellenlänge der jeweiligen Welle. Bei sichtbarem Licht zum Beispiel sind das einige hundert Nanometer.
"Was jetzt neu ist, ist die Möglichkeit, immer komplexere Strukturen herzustellen", sagt Martin Wegener, der am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) an Metamaterialien forscht und verweist zum Beispiel auf technische Fortschritte bei der Nanoprägelithografie. Bei dieser Technik wird mit Elektronenstrahl-Lithographie ein Mikro-Stempel hergestellt, mit dem man dann in Polymeren große Mengen an Mikrostrukturen herstellen kann. Wegeners Arbeitsgruppe verwendet 3D-Drucker, die Laser nutzen, um Kunstharze auszuhärten. Ihr jüngster Erfolg ist ein akustisches Metamaterial, in dem die einzelnen Grundbestandteile durch lange Brücken miteinander gekoppelt sind. In dem Material laufen Schallwellen rückwärts.
Einen praktischen Nutzen gibt es dafür zwar – noch – nicht, aber den zu entwickeln kann auch durchaus dauern, was an Beispielen wie "Kymeta" klar wird. Das Unternehmen hat eine flache, mobile Satelliten-Antenne entwickelt, die sich allein durch Software beliebig ausrichten lässt und nur rund 150 Watt Leistung benötigt. Die Oberfläche dieser Antenne enthält in regelmäßigen Abständen winzig kleine Resonatoren, die wie Stimmgabeln elektromagnetische Wellen bestimmter Frequenzen absorbieren oder verstärken. Bei welcher Frequenz sie das besonders gut tun, stellen die Kymeta-Ingenieure durch spezielle Flüssigkristalle ein. Es hat rund zehn Jahre gedauert, um aus der Idee ein fertiges Produkt zu machen.
Dass Metamaterialien durchaus auch ganz handfest sein können, zeigt ein anderes Beispiel: "Phononic Vibes". Das Spin-off der Polytechnischen Universität Mailand hat hochwirksame akustische Metamaterialien entwickelt, die in dünnen transparenten Schallschutzwänden oder Absorbern neben Schienen zum Einsatz kommen: Das technische Prinzip ist für beide Anwendungen ähnlich, nur die Frequenzen, bei denen es wirkt, unterscheiden sich: Die Materialien enthalten ein periodisches Gitter mechanischer Resonatoren. Das Zusammenspiel von Trägermaterial und Resonatoren sorgt dafür, dass Schallwellen bestimmter Frequenzen sich in dem Material nicht ausbreiten können – sie werden gefangen. "Das ist unabhängig von dem Material, das wir verwenden", sagt CEO Luca D’Alessandro. "Die Eigenschaften des Metamaterials sind allein durch die Struktur vorgegeben."
Mehr über Metamaterialien und ihre ersten Produkte lesen Sie in der neuen Ausgabe 08/2021 von MIT Technology Review (im heise shop bestellbar und im gut sortierten Zeitschriftenhandel erhältlich).
(wst)
