21-02-2008

Selbstheilendes Material

Französische Forscher haben ein gummiartiges Material entwickelt, das Risse selbst ausheilen kann. Es besteht aus einem Netz von Einzelmolekülen, die durch Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind.

Gummi zeichnet sich durch eine enorme Dehnbarkeit aus. Während andere Substanzen bei Zugbelastung nur um ein paar Prozent in die Länge gehen, dehnen sich Gummibänder um ein Vielfaches ihrer Länge aus und kehren dennoch in ihre ursprüngliche Form zurück, wenn die Belastung aufhört. Das gilt natürlich nur, solange das Band nicht reißt. Sind die kovalenten Bindungen der Polymere, aus denen Gummi aufgebaut ist, einmal gebrochen, so lassen sie sich ohne Druck und hohe Temperaturen nicht wieder flicken. Doch jetzt haben französische Forscher ein gummiartiges Material entwickelt, das Risse selbst ausheilen kann.

Das „supramolekulare“ Material, über das Ludwik Leibler und seine Kollegen von der Ecole Supérieure de Physique et Chimie Industrielles in Paris berichten, besteht aus einem Netz von Einzelmolekülen, die durch Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind. Das Netz enthält zwei Sorten von Molekülen: stäbchenförmige „ditopische“ Moleküle mit zwei Wasserstoffbrücken an ihren Enden, die Ketten bilden können, und sternförmige „tritopische“ Moleküle mit drei Brücken, die für die Vernetzung sorgen. Die Wasserstoffbrücken sind zwar lockerer als die kovalenten Bindungen im Polymergeflecht von Gummi, doch sie können sich, wenn sie zerbrochen werden, bei Zimmertemperatur und ohne Druck von selbst wieder reparieren.

Die elastischen Eigenschaften und die selbstheilenden Fähigkeiten ihres Materials haben die Forscher intensiv untersucht und auch mit Videos dokumentiert. Wurde das supramolekulare Gummi um 300 % in die Länge gezogen, so behielt es seine Elastizität und blieb nach Entlastung um weniger als 5 % gedehnt. Wurde das Gummi um mehr als 500 % in die Länge gezogen, so zerriss es an einer Stelle. Wenn die Forscher ihr Gummi zerrissen oder zerschnitten und die Trennflächen bei Zimmertemperatur und ohne Druck für 15 Minuten aneinander hielten, so verbanden sich die Enden miteinander. Das Gummi konnte dann wieder um bis zu 200 % gedehnt werden, bevor es an der Schwachstelle erneut brach. Diese Prozedur ließ sich beliebig oft wiederholen: Die Selbstheilungskräfte ermüdeten nicht. Wurden die Trennflächen für einige Stunden aneinander gehalten, so ließ sich das Gummi sogar wieder um 500 % und mehr dehnen, bevor es zerriss.

Die gebrochenen Wasserstoffbrücken an den Trennflächen waren offenbar „begierig“, wieder eine Verbindung herzustellen und dadurch die beiden Enden miteinander zu verschweißen. Doch man durfte nicht zu lange nach dem Zertrennen des Gummis damit warten, die Trennflächen in Kontakt zu bringen, da sich sonst Wasserstoffbrücken zwischen Molekülen derselben Trennfläche bildeten und dadurch verloren gingen. Je höher die Temperatur war, umso agiler waren die gebrochenen Wasserstoffbrücken und umso schneller mussten die Trennflächen in Kontakt gebracht werden, damit eine belastbare Verbindung zustande kommen konnte. Bei 20 °C konnte man noch bis zu 48 Stunden damit warten, bei 120 °C waren es nur noch 5 Minuten. Anders als herkömmlicher Gummi, der durch robuste kovalenten Bindungen vernetzt ist, kann der supramolekulare Gummi die Zugbeanspruchung nicht beliebig lange aushalten, ohne zu fließen. Die Forscher betonen allerdings, dass ihr Gummi immerhin 10 Stunden lang einer kontinuierlichen Belastung standhielt.

Die Herstellung des supramolekularen Gummis ist vergleichsweise einfach. Dazu benutzten die Forscher Fettsäuren aus Pflanzenöl sowie Harnstoff. Es entstand zunächst eine durchscheinende glasartige Plastiksubstanz, deren Glasübergangstemperatur bei 28 °C lag. Diese Substanz wurde dann durch Zugabe von Dodecan erweicht, sodass sich die Übergangstemperatur auf 8 °C verringerte. Es bildete sich ein gummiartiges, nichtklebriges Material – das supramolekulare Gummi. Nach Meinung der Forscher sollten sich dessen ungewöhnliche Materialeigenschaften durch Zugabe weiterer Substanzen, die auf die Wasserstoffbrücken einwirken, in weiten Grenzen modifizieren lassen. Die selbstheilenden Fähigkeiten des elastischen Materials könnte man z. B. für Implantate wie künstliche Knochen oder Knorpel nutzen. Zu guter letzt ist das Material auch umweltverträglich. Es lässt sich recyceln oder durch Hitze in seine natürlichen Bestandteile zerlegen.

Rainer Scharf

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