Ein Film, zwei Effekte
Forscher der TU Chemnitz haben einen flexiblen Nanokompositfilm entwickelt, der sowohl elektrische Energie erzeugen als auch den Druck messen kann.
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Misst Druck und gewinnt Energie: Nanokompositfilm aus den Labors der TU Chemnitz.
Ein Forschungsteam der Technischen Universität Chemnitz hat einen flexiblen Nanokompositfilm entwickelt, der zwei physikalische Effekte in einem Material vereint: Unter mechanischer Last erzeugt es elektrische Ladung durch den piezoelektrischen Effekt - gleichzeitig verändert es seinen elektrischen Widerstand durch den piezoresistiven Effekt. Das Material kombiniert das Polymer Polyvinylidenfluorid (PVDF) mit keramischen Bariumtitanatpartikeln (BaTiO₃) und mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren. Die Ergebnisse wurden in Nano Energy veröffentlicht, einer der führenden internationalen Fachzeitschriften auf dem Gebiet von Energiematerialien und Nanotechnologie.
Zwei Sensorprinzipien in einem einzigen Material
Piezoelektrische Materialien werden auf zwei Arten verwendet. Sie dienen als Sensoren für dynamische Lasten wie Schwingungen und Stöße und können auch Energie gewinnen, indem sie mechanische Bewegung in elektrische Energie umwandeln. Ein piezoelektrischer Sensor kann daher seine eigene Energie liefern. Er reagiert jedoch nur auf wechselnde Lasten. Piezoresistive Materialien reagieren auf Druck mit einer messbaren Widerstandsänderung, sodass sie auch statische Lasten präzise erkennen können. Bis jetzt wurden die beiden Materialtypen meist getrennt entwickelt. Das Chemnitz-Team vereint beide Prinzipien in einem Film, der nur etwa 40 μm dick ist.
Die beiden Füllstoffe teilen die Arbeit zwischen sich auf. BaTiO₃ ist eine bleifreie Piezokeramik. Sie unterstützt die lokale Polarisation und fördert die Bildung der elektroaktiven Phase der PVDF, die für den piezoelektrischen Effekt verantwortlich ist. Die Kohlenstoff-Nanoröhren bilden ein elektrisch leitfähiges Netzwerk im Polymer. Wenn der Film komprimiert wird, ändern sich die Kontakte zwischen den Nanoröhren und der elektrische Widerstand mit ihnen. Die Nanoröhren verstärken das Polymer auch mechanisch.
„Unsere zentrale Frage war, wie die keramischen und die leitfähigen Füllstoffe innerhalb der PVDF-Matrix zusammenwirken“, sagt Prof. Dr. Olfa Kanoun, Leiter der Professur für Mess- und Sensortechnologie an der TU Chemnitz. „Durch systematische Anpassung beider Konzentrationen könnten wir die Materialstruktur steuern und deren Leistung auf Energieumwandlung oder Druckdetektion ausrichten.“
PVDF ist leicht, flexibel und eignet sich für die Verarbeitung großer Flächen. Um als piezoelektrisches Material gut zu funktionieren, benötigt es jedoch meist Hochspannungs-Polen, mechanisches Dehnen oder beides. Im neuen Verbund übernehmen die Füllstoffe diese Aufgabe während der Filmbildung. Die keramischen Partikel fördern die polare Kristallstruktur, und die Nanoröhren wirken als Kerne, die die Gesamtkristallinität des Polymers erhöhen. An den Schnittstellen zwischen Polymer, Keramikpartikeln und Nanoröhren bilden sich mikrokondensatorähnliche Regionen, die die Ladungsakkumulation und Polarisation erhöhen. Dadurch ist der elektroaktive Gehalt der Filme bis zu etwa doppelt so hoch wie bei reinem PVDF. Ihr piezoelektrischer Koeffizient erreicht Werte, die mit denen elektrisch gepolter PVDF-basierter Systeme vergleichbar sind.
Einfache Bearbeitung erzeugt flexible Dünnschichten
Die Filme werden durch Lösungsguss hergestellt. PVDF und die Füllstoffe werden in einem Lösungsmittel aufgelöst, dann gegossen und thermisch behandelt. Das Ergebnis ist ein homogener, flexibler Film. Für Energiegewinnungstests wurden die Filme zwischen flexible Elektroden platziert, um kompakte Nanogeneratoren zu bilden.
„Eine homogene Verteilung der keramischen Partikel und der Kohlenstoffnanoröhren war unerlässlich“, erklärt Dipl.-Ing. Ahmed Attaoui, Hauptautor der Studie. „Die Leistung hängt nicht nur von den einzelnen Bestandteilen ab, sondern auch von den zwischen ihnen gebildeten Grenzflächen.“
Die Komposition entscheidet, welcher Effekt dominiert
Dem Team gelang es, den Nanoröhreninhalt systematisch auf jeder keramischen Ebene zu variieren. Dies ermöglichte es, die Zusammensetzung des Materials mit seiner Struktur, mechanischen Festigkeit, elektrischen Leistung und Druckempfindlichkeit zu verknüpfen. Der Verbundstoff ist deutlich steifer und stärker als reiner PVDF, bleibt aber flexibel.
Eine Formulierung mit höherem Nanoröhrengehalt lieferte die beste Energiegewinnung. Sie erreichte Ausgangsspannungen von bis zu 25 V und eine maximale Leistung von 345 Mikrowatt, etwa hundertmal mehr als dasselbe Material ohne Nanoröhren. Das Material zeigte auch langfristige Stabilität: Die Ausgangsspannung blieb über 20.000 Belastungszyklen stabil. Selbst nach 50.000 und 100.000 Zyklen sank die Spitzenspannung nur geringfügig, während die Gesamtform des Signals erhalten blieb. Eine Formulierung mit mehr Keramik und weniger Nanoröhren ermöglichte die höchste Druckempfindlichkeit, lieferte aber dennoch eine hohe elektrische Ausgangsleistung. Diese Formulierung wurde daher für alle nachfolgenden Gerätetests ausgewählt.
„Das wichtige Ergebnis ist die Steuerbarkeit des Systems“, sagt Kanoun. „Eine Rezeptur kann für eine höhere elektrische Leistung ausgewählt werden, während eine andere für Druckempfindlichkeit ausgewählt werden kann. Dies gibt Gerätekonstrukteuren eine klare Grundlage für die Auswahl der Formulierung, die zur gewünschten Funktion passt.“
„Die Kombination von piezoelektrischen und piezoresistiven Effekten in einem Material eröffnet eine Reihe möglicher Einsatzmöglichkeiten, von Sensoren über Energiegewinnung bis hin zu zukünftigen Aktuatoren“, sagt Kanoun. „Unsere Ergebnisse bieten eine Materialgrundlage, um diese Funktionen innerhalb eines Verbundsystems zu erforschen.“
Auf dem Weg zu selbstversorgenden Smart Skins und tragbaren Elektroniksystemen
Eine Demonstration zeigt, wie sich die beiden Effekte in einem einzigen Gerät ergänzen. Wenn die Forscher den Film gleichmäßig mit der Fingerspitze drückten, sank der elektrische Widerstand deutlich, während fast keine Spannung erzeugt wurde. Schnelles Klopfen hingegen erzeugte starke Spannungsimpulse. Der gleiche Film kann daher registrieren, wie stark und wie lange er gedrückt wird, und gleichzeitig Energie aus der Bewegung gewinnen. Das Team zeigte auch, dass die gewonnene Energie nutzbar ist: Die gleichgerichteten Ausgangskondensatoren luden innerhalb weniger Sekunden auf und versorgten eine Reihe von LEDs.
Das Konzept zielt auf flexible und tragbare Elektronik ab, bei der Platz, Gewicht und Energieversorgung begrenzt sind. Mögliche Anwendungen umfassen selbstbetriebene Drucksensoren, elektronische Skins, Gesundheitsüberwachungspatches, robotische taktile Schnittstellen, strukturelle Überwachung und autonome Internet-of-Things-Geräte.
Die Forscher untersuchen nun, ob das Material auch kontrollierte mechanische Bewegungen unter elektrischer Anregung erzeugen kann. Dies könnte das Konzept auf die Aktivierung ausweiten, zum Beispiel vibrotaktile Rückkopplungen in tragbaren und interaktiven Systemen. „Die Studie bietet eine Materialbasis für kompakte, autonome Geräte", sagt Attaoui. „Der nächste Schritt ist, die gemessenen Materialeigenschaften in zuverlässige Komponenten zu übersetzen und zu bewerten, wie Energiegewinnung, Sensorik und Aktorik auf Geräteebene integriert werden können.“
Interdisziplinäre und internationale Zusammenarbeit
Die Studie ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen der Professur für Mess- und Sensortechnik und der Alumna der TU Chemnitz, Dr. Ayda Bouhamed. Sie ist derzeit tätig an der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Gafsa im Zentrum Tunesiens, und Mitglied des Labors für Elektromechanische Systeme an der Nationalen Ingenieurschule in der tunesischen Hafenstadt Sfax. Die Arbeit wurde während ihrer Gastprofessur an der TU Chemnitz durchgeführt. Die Gastprofessur ermöglichte es den Partnern, ihr Fachwissen in Nanoverbundwerkstoffen und Sensortechnologie zu bündeln. Sie stärkt zudem die langjährige Zusammenarbeit zwischen der TU Chemnitz und Forschungseinrichtungen in Tunesien.
„Es ist mir eine besondere Freude, mit meiner Alma Mater zusammenzuarbeiten“, sagt Dr. Ayda Bouhamed. „Das Gastprofessurprogramm gab uns die Möglichkeit, unsere Expertise in Chemnitz zu bündeln, und zeigt, wie gut die wissenschaftliche Zusammenarbeit heute grenzüberschreitend funktioniert.“
Weitere Partner der TU Chemnitz steuerten ihr Fachwissen bei: Prof. Dr. Martin F.-X. Wagner und Mario Scholze vom Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik sowie Prof. Dr. Christoph Tegenkamp von der Professur für Analytik an Festkörperoberflächen am Institut für Physik. Prof. Dr. Chokri Bouraoui vom Labor für Mechanik an der Nationalen Ingenieurschule Sousse, Universität Sousse, leitete die Arbeit mit. Die Zusammenarbeit vereinte Mess- und Sensortechnik, Materialwissenschaften und Oberflächenphysik.
Veröffentlichung: Ahmed Attaoui, Ayda Bouhamed, Mario Scholze, Martin F.-X. Wagner, Christoph Tegenkamp, Chokri Bouraoui, Olfa Kanoun: „High-performance self-poled PVDF-BaTiO₃-CNT nanocomposites: A multifunctional material for flexible next-generation energy harvesting and sensing.“ Nano Energy, 2026, 148, 111688. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111688
Weitere Informationen: Prof. Dr. Olfa Kanoun, Telefon +49 (0)371 531-36931, E-Mail olfa.kanoun@etit.tu-chemnitz.de
Detlef Gürtler
01.10.2026
