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05-08-2020 | Materialentwicklung | Im Fokus | Article

Ein neues Material, das sich in Windeseile selbst repariert

Author:
Dieter Beste
4 min reading time

Wissenschaftlern gelang es, die Nanostruktur eines dehnbaren Materials derart zu verändern, dass es seine Struktur vollständig selbst wiederherstellen konnte, nachdem es beschädigt worden war – und zwar innerhalb von Sekunden.

Selbstheilende Materialien stehen seit Langem auf der Wunschliste von Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. Mit ihnen ließe sich die Lebensdauer von Strukturbauteilen ausweiten, wenn etwa Risse oder Korrosionsbeschädigungen im Material autonom ausheilten. Erste Hürden zu diesem Ziel sind schon überwunden: Selbstheilung funktioniert schon, wenn "im Grundwerkstoff polymerisierbare oder vernetzbare Bestandteile eingebaut sind, die an der Schadstelle freigesetzt werden" erklären Hansgeorg Hofmann und Jürgen Spindler in "Aktuelle Werkstoffe" (Seite 76). Eine Übersicht über verschiedene Arten von selbstheilenden Materialien findet sich in der Zeitschrift "Journal of Materials Science", Ausgabe 28/2020. Die Autoren unterteilen diese neue Materialklasse in irreversible und reversible Systeme: Irreversible Systeme können sich nur einmal selbst heilen, während reversible Systeme sich zumindest mehrmals wiederherstellen können. 

Editor's recommendation

2020 | OriginalPaper | Chapter

Studies on Application and Mechanism of Self-Healing Polymer and Nanocomposite Materials

From the last few decades, self-healing techniques came into existence which has wide applications in the aerospace, automobile industries, biomedicine, etc. The polymers have the ability to repair the damages caused by various actions of impact …

Zu den irreversiblen Systemen zählen die Autoren kapsel- und gefäßbasierte Polymerkomposite wie hohle Glasfasern, Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder mikrovaskuläre Systeme. Bei den reversiblen Systemen handele es sich hingegen in der Regel um sogenannte intrinsische Polymere, bei denen der Mechanismus der Selbstheilung wesentlich auf thermoresponsive Diels-Alder-Reaktionen zurückzuführen sei. Nachteil irreversibler Systeme sei, dass der Prozess der Selbstheilung nur einmal stattfinden könne. Intrinsische Polymere könnten sich hingegen wiederholt und schneller selbst heilen, da Diffusions- und Polymerisationskontrollschritte fehlten; an der überlegenen Selbstheilungsleistung seien in vielen reversiblen Systemen ionische Flüssigkeiten beteiligt.

Vom Tintenfisch inspiriertes Material heilt sekundenschnell

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart und der Pennsylvania State University (PSU) in den USA haben jetzt ein weiches Material entwickelt, das sich nach einer Beschädigung innerhalb einer Sekunde selbst heilen kann. Die Forscher berichten über diesen Durchbruch aktuell in Nature Materials. Die Moleküle bisheriger verformbarer, selbstheilender Materialien brauchen mehrere Stunden oder sogar Tage, um sich wieder miteinander zu verbinden – oft mit geringer Festigkeit an der Stelle, an der sie durchstochen oder zerschnitten wurden. "Wir haben ein neues Material entwickelt, das viel schneller heilen kann, ohne seine Festigkeit zu verlieren. Wir haben es auf verschiedenste Weise beschädigt und jedes Mal hat es sich innerhalb von Sekunden repariert", sagt Abdon Pena-Francesch, der Erstautor der Publikation.

Selbstheilungskräfte auf die Spitze getrieben

Pena-Francesch und seine Co-Autoren Huihun Jung und Melik C. Demirel von der PSU und Metin Sitti, Direktor der Abteilung für Physische Intelligenz am MPI-IS, hatten in der Natur nach Beispielen gesucht, um sich für die Entwicklung intelligenter Materialien inspirieren zu lassen. Fündig wurde sie bei der Molekülstruktur und Aminosäuresequenzen von Tintenfischproteinen. Damit hatten sie die Blaupause für ihr Protein-Engineering eines flexiblen, gummiartigen Materials in der Hand. Allerdings: "Wir veränderten die molekulare Struktur so, dass wir die Selbstheilungskräfte des Materials auf die Spitze treiben konnten", sagt Demirel. "Wir konnten eine 24-Stunden dauernde Heilungsphase auf eine Sekunde verkürzen. In der Natur dauert die Selbstheilung sehr lange. Unsere Technologie stellt damit die Natur in den Schatten." 

Der Trick der Forscher

Ein Tintenfisch braucht länger, um zu heilen, da die Protein-Moleküle in seinen Tentakeln nur lückenhaft miteinander verwoben sind, erklären die Forscher. Bei dem im Labor entwickelten Material veränderten die Wissenschaftler die Nanostruktur der Moleküle so, dass sie alle miteinander verbunden sind. "Ein Netzwerk, in dem nur wenige Punkte miteinander verbunden sind, birgt Schwachstellen. Wir aber haben alle Punkte miteinander vernetzt und das Material so verbessert", erklärt Pena-Francesch. Während die Moleküle bisheriger flexibler Materialien permanente Verbindungen haben, die einmal getrennt nicht wieder zusammengefügt werden können, verhält es sich bei dem neuen Material anders, so die Wissenschaftler. Jede physikalische Verbindung sei reversibel; Verbindungen, die an einer Stelle getrennt wurden, klicken wieder in die richtige Position zurück.

Beispiellose Selbstheilungseigenschaften

Ein supramolekulares Netzwerk mit bislang beispiellosen Selbstheilungseigenschaften eröffnet ungeahnte Möglichkeiten. Zum Beispiel in der Robotik. "Selbstreparierende physikalisch intelligente weiche Materialien sind für den Bau robuster und fehlertoleranter Soft-Roboter in naher Zukunft unerlässlich", sagt Metin Sitti. Tests dazu hat er bereits ausgeführt. Ein Greifarm konnte sich selbst heilen, nachdem er von einem herunterfallenden Objekt beschädigt worden war. Das neue Material könne aber auch bei Schutzkleidung zur Anwendung kommen oder bei Handschuhen, die sich nach einem Schnitt sofort selbst reparierten.
 

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