Die Materialien, die wir täglich verwenden, wie Stahl oder Gummi, sind passiv: Sie reagieren nur unter Einwirkung einer äußeren Kraft. Es gibt jedoch eine andere Klasse, die „aktive Materie“ genannt wird, die aus ihrer eigenen Energie schöpft, um sich zu bewegen, zu verformen oder auf Druck zu reagieren.
Man findet sie in der Natur, zum Beispiel Fischschwärme, die sich in koordinierten Bewegungen wellenförmig fortbewegen, oder lebende Zellen, die sich ohne Dirigenten neu organisieren.
Eine Kette motorisierter Stäbe kann kriechen und sogar graben.
In ihrem Labor haben Forscher der Universitäten Amsterdam, New South Wales und Cambridge aktive Materialien aus Stäben, Gummibändern und kleinen Motoren hergestellt. Diese Systeme weisen ungewöhnliche Eigenschaften auf. Beispielsweise beginnt eine Kette von durch Motoren verbundenen Stäben, anstatt sich nur einmal unter Druck zu biegen, kontinuierlich zu oszillieren. Laut den Wissenschaftlern ähnelt diese wiederholte Bewegung einer Fortbewegungsart wie der von Reptilien, einem Gehen oder sogar einem Graben.
Ein weiteres Ergebnis überraschte das Team noch mehr. Beim Aufbau eines zweidimensionalen Netzwerks mit denselben Bausteinen stellten sie fest, dass die Aktivierung jedes einzelnen Elements das gesamte System weniger aktiv machen konnte. Dies ist das Gegenteil dessen, was das Le-Chatelier-Prinzip besagt, wonach sich das Verhalten im kleinen Maßstab auf den großen Maßstab überträgt. Die Forscher erklären dieses Paradoxon mit einem Perkolationsphänomen: Wenn Komponenten zu dicht sind, blockieren sie die Ausbreitung der Elastizität.
Wenn man diese hexagonale Struktur oben links drückt, breitet sich die Verformung nicht bis zur rechten Seite aus. Die Einzelheiten dieser Arbeiten wurden in zwei Fachzeitschriften veröffentlicht. Die erste Studie, erschienen in
Proceedings of the National Academy of Sciences, zeigt, wie sich aktive Ketten bewegen können. Die zweite, angenommen in
Physical Review X, beschreibt den Bruch des Le-Chatelier-Prinzips. Die Forscher gehen davon aus, dass diese Entdeckungen helfen könnten, autonome Materialien zu entwickeln, insbesondere für die weiche Robotik, bei der flexible Roboter ohne zentrales Steuerungssystem agieren würden.
In der Zwischenzeit erinnern uns diese „bizarren“ Materialien daran, dass selbst die solidesten Gesetze der Physik umgangen werden können, wenn man ein wenig innere Energie hinzufügt.
Quelle: Proceedings of the National Academy of Sciences und
Physical Review X