Auch, wenn wir uns dessen nicht bewusst sind: Wir sind umgeben von Energiewandlern. Sie stecken überall drin, wo Energie in jeglicher Form erzeugt, gespeichert oder verbraucht wird, etwa in elektrischen Geräten, Autos, Kraftwerken, Solarzellen und Batterien. So vielfältig wie ihre Anwendungsbereiche sind auch die Arten von Energiewandlern sowie die Materialien, die dafür verwendet werden. Empa- Forscherin Dorina Opris aus dem Labor für Funktionspolymere legt ein besonderes Augenmerk auf Materialien für weiche Energiewandler. Elastische Stoffe mit den richtigen elektrischen Eigenschaften eignen sich beispielsweise für die Herstellung von Schall- und Vibrationssensoren oder künstlichen Muskeln, sogenannten Aktoren, die Bauteile in Bewegung versetzen.
Ein häufig eingesetztes Polymer für solche Anwendungen ist Polyvinylidenfluorid (PVDF). Dieser fluorhaltige Kunststoff zählt zur Gruppe der PFAS, die aufgrund ihrer hohen Stabilität in der Umwelt auch als Ewigkeitschemikalien bekannt sind. Mit der zunehmenden Regulierung und bevorstehenden Verboten der PFAS sind nachhaltige, skalierbare und wirtschaftliche Alternativen gesucht.
Genau hier setzt die Forschung von Dorina Opris und ihrem Team an. Die Empa-Forscherin entwickelt sogenannte Polysiloxane – einfacher gesagt, Silikone. Anders als herkömmliches Silikon sind die an der Empa entwickelten Polysiloxane polar und funktionieren als sogenannte Dielektrika: Materialien, die zwar keinen Strom leiten, aber mit elektrischen Feldern interagieren. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung können sie sich reversibel verformen – also elektrische Energie in Bewegung umwandeln.
Für die Entwicklung dieser neuartigen Polymere hat Opris bereits 2020 einen prestigeträchtigen «ERC Consolidator Grant» vom Europäischen Forschungsrat erhalten. Nun würdigt der ERC ihre Forschung mit einem daran anschliessenden «Proof of Concept Grant». Diese Förderung zielt darauf ab, den Technologietransfer aus der Forschung in die Wirtschaft zu erleichtern.
Flexibel und nachhaltig
«Unser Material enthält keine Fluor-Kohlenstoff-Bindungen, und es fallen bei seiner Herstellung keine Lösungsmittel oder ozonschädigende Substanzen an, wie dies bei PVDF der Fall ist», sagt die Empa- Forscherin. Zwar ist die Herstellung des Silizium-basierten Kunststoffs energieintensiv – dafür lässt er sich aber vollumfänglich recyceln. Opris und ihr Team entwickeln das Material vor allem in Form von Drucktinten, was eine einfache und leicht skalierbare Verarbeitung sicherstellt.
Das neuartige Polysiloxan kann PVDF nicht in jeder Anwendung ersetzen – zu unterschiedlich sind die elektrischen Eigenschaften der beiden Materialien. Für gewisse Anwendungen eignet sich das Polysiloxan aber sogar besser: Es ist deutlich elastischer als PVDF, und das auch bei tieferen Temperaturen. So ermöglicht es bessere Aktoren, insbesondere für den Aussenbereich. Weitere Anwendungen sieht Opris vor allem in der Robotik, in der Autoindustrie und in der Energiespeicherung. «Dadurch, dass wir unser Material zu Dünnschichten verarbeiten können, kann es etwa in Batterien, Kondensatoren und elektronischen Komponenten zum Einsatz kommen», führt die Polymerexpertin aus.
So gut ein neues Material auch sein mag: Der Schritt aus dem Labor in die Wirtschaft ist immer eine Herausforderung. «Die industrielle Skalierung braucht Investitionen. Firmen empfinden diesen Schritt aber oft als zu risikobehaftet», so Opris. In den nächsten 18 Monaten will die Forscherin ihren «ERC Grant» in der Höhe von rund 150'000 Euro nutzen, um Prototypen von dielektrischen Dünnschichten zu erstellen und im Detail zu charakterisieren – und die Industrie so vom Potenzial des neuen Materials zu überzeugen. Auch die Gründung eines Spin-offs zur Kommerzialisierung der neuen Materialien ist eine Option.
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