Grazer Forscherin entwickelte "smarte Haut" der Zukunft

Das Ergebnis ihrer Pionierforschung, für die sie 2016 den mit 1,5 Millionen Euro dotierten Förderpreis des Europäischen Forschungsrates (ERC) an Land gezogen hatte, wurde nun im Fachjournal Advanced Materials Technologies veröffentlicht. Mit ihrem Team hat sie am ERC-Projekt "SmartCore" gearbeitet und ihnen ist es gelungen, ein Drei-in-Eins-Hybridmaterial zu entwickeln. Insbesondere die Robotik und intelligente Prothetik dürften künftig von einer besser integrierten, präzisieren Sensorik ähnlich der menschlichen Haut profitieren, ist die Wissenschafterin überzeugt.

Mit 2.000 einzelnen Sensoren pro Quadratmillimeter ist Coclites Hybridmaterial feinfühliger als menschliche Fingerspitzen. Jeder dieser Sensoren besteht aus einer einmaligen Materialkombination: einem intelligenten Polymer in Form eines Hydrogels im Inneren und aus einer Schale aus piezoelektrischem Zinkoxid. "Das Hydrogel kann Wasser absorbieren und dehnt sich dadurch bei Feuchtigkeits- und Temperaturänderungen aus. Dabei übt es einen Druck auf das piezoelektrische Zinkoxid aus, das auf diese und auf alle anderen mechanischen Belastungen mit einem elektrischen Signal reagiert", schilderte die Forscherin.

Das Ergebnis ist ein hauchdünnes Material, das mit extrem hoher räumlicher Auflösung simultan auf Krafteinwirkung, Feuchtigkeit und Temperatur reagiert und entsprechende elektronische Signale abgibt. "Die ersten Materialsamples sind sechs Mikrometer dünn, also 0,006 Millimeter. Es ginge aber sogar noch dünner", so Coclite. Zum Vergleich: Die menschliche Oberhaut, die Epidermis, ist 0,03 bis 2 Millimeter dick. Die Haut des Menschen nimmt Dinge ab einer Größe von etwa einem Quadratmillimeter wahr. Die "Smartskin" hat eine tausendmal kleinere Auflösung und kann Objekte registrieren, die für die menschliche Haut zu klein sind - etwa Mikroorganismen.

Möglich war die Entwicklung in einem weltweit einmaligen Verfahren, für das die Forschenden erstmals drei bekannte Methoden aus der physikalischen Chemie kombinierten: eine chemische Gasphasenabscheidung für das Hydrogelmaterial, eine Atomlagenabscheidung für das Zinkoxid und die Nanoprint-Lithographie für die Polymer-Schablone. Für die lithografische Aufbereitung der Polymer-Schablone zeichnete die Forschungsgruppe "Hybridelektronik und Strukturierung" unter der Leitung von Barbara Stadlober verantwortlich. Die Gruppe ist Teil des in Weiz ansässigen "Materials Institute" von Joanneum Research.

Dem hautähnlichen Hybridmaterial eröffnen sich laut Aussendung nun mehrere Anwendungsfelder: Im Gesundheitswesen beispielsweise könnte das Sensormaterial selbstständig Mikroorganismen erkennen und entsprechend melden. Denkbar seien auch Prothesen, die der Trägerin oder dem Träger Auskunft über Temperatur oder Feuchtigkeit geben, oder Roboter, die ihre Umwelt sensibler wahrnehmen können. Einen Vorteil habe die "Smartskin" jedenfalls schon bei der Herstellung: Die sensorischen Nanostäbchen - der "smarte Kern" des Materials - werden mit einem dampfbasierten Herstellungsverfahren produziert. Dieses Verfahren ist in Produktionsanlagen etwa für integrierte Schaltkreise bereits gut etabliert. Die Herstellung der "Smartskin" könne damit leicht skaliert und in bestehende Produktionslinien implementiert werden.

Die Eigenschaften der Smartskin sollen nun noch weiter optimiert werden: Coclite und ihr Team - insbesondere Dissertant Taher Abu Ali - wollen den Temperaturbereich, auf den das Material reagiert, erweitern und die Flexibilität der künstlichen Haut verbessern.

(S E R V I C E - Smart Core-Shell Nanostructures for Force, Humidity and Temperature Multi-Stimuli Responsiveness. Taher Abu Ali, Philipp Schäffner, Maria Belegratis, Gerburg Schider, Barbara Stadlober and Anna Maria Coclite. Advanced Materials Technologies, https://doi.org/10.1002/admt.202200246 )