Direkt zum Inhalt

Neue Werkstoffe: Belastung Ansichtssache

Ob wir hören, tasten oder schlicht erfolgreich das Gleichgewicht halten - wir verdanken es Zellen unseres Körpers, die mechanische Reize in chemische Signale umwandeln können. Das dabei von der Natur vorgelebte Prinzip inspirierte Materialforscher nun zu einer Kunststoffkreation, die auf äußere Einflüsse reagiert.
Wachsende Beanspruchung
"Hält mich der Stuhl wohl aus?" Es kann zum Verhängnis werden, diese Frage durch mutiges Ausprobieren beantworten zu wollen: Holz oder Kunststoff zerbirst unter Last auch schon einmal ohne Vorwarnung und sorgt dabei für schmerzvolle Klarheit – und Gelächter. Der Schaden ist dann sicherlich noch zu verkraften. Ernster sind ebenso unerwartet auftretende Risse in Flugzeugen, Brücken oder Gebäuden.

Intelligente Materialen könnten die Lösung dieser Probleme sein. Materialforscher schweben beispielsweise Bauteile aus Polymeren vor, die ihren Zustand gewissermaßen selbst erfühlen und auf äußere Stimuli reagieren, etwa indem sie kurz vor ihrer maximalen Belastung ein Warnsignal abgeben, entstehende Brüche von alleine reparieren oder zumindest deren Ausbreitung verlangsamen. Eventuellen Unglücken könnte so frühzeitig vorgebeugt werden.

Tatsächlich schlugen Wissenschaftler in den vergangenen Jahren schon verschiedenen Mechanismen vor, die genau in diese Richtung abzielen – einschließlich Werkstoffen, die bei extremer Verformung ihre Farbe ändern. Auch das Team um Nancy Sottos von der University of Illinois beschäftigt sich mit der Thematik; im Gegensatz zu ihren Kollegen nehmen sie allerdings die Natur zum Vorbild: Genau wie dort wollen sie mechanische Kräfte in chemische Reaktionen übertragen.

Wachsende Beanspruchung | Der Elastomer-Kunststoff wird auf diesem Bild immer größeren Belastungen ausgesetzt. Ab einem kritischen Punkt färbt das Polymer sich rot.
Die ersten Schritte erledigten die Wissenschaftler bereits 2007 als sie Polymere entwickelten, die mechanisch aktive Moleküle, so genannte Mechanophoren, enthielten. Zieht und drückt man daran herum, werden durch die dabei zugeführte Energie bestimmte chemische Reaktionen ausgelöst. Damals hatte das Team die angereicherten Polymere in eine Lösung eingebracht, die sich wie gewünscht von transparent zu violett färbte, als die Forscher sie mit Ultraschall bestrahlten und so Scherkräfte in den Polymerketten erzeugten.

Wirklich alltagstauglich war ihre Kreation natürlich nicht – werden doch eher selten Kräfte via Ultraschall auf Flüssigkeiten ausgeübt. Nun gelang Sottos und Co der Trick aber auch in einem Festkörper. In ihren Experimenten verwendeten sie Moleküle namens Spiropyran, die gewöhnlich farblos sind, sich aber rot oder violett färben, sobald sie Licht, Wärme oder – besonders interessant für die Wissenschaftler – mechanischer Belastung ausgesetzt werden.

Das bestätigte sich, als sie zwei verschiedene Polymere mit den Verbindungen präparierten und dann unterschiedlich stark beanspruchten: Der Elastomer-Kunststoff verfärbte sich tatsächlich kurz bevor er entzweibrach. Das zweite Polymer formten die Wissenschaftler in starre Kügelchen mit einem Durchmesser von mehreren hundert Mikrometern. Setzen sie diese unter Druck, wechselten sie ihre Farbe von farblos bis violett.

In Theorie und Praxis klärten sie auch gleich den verantwortlichen Mechanismus auf. Demnach führen die mechanischen Kräfte dazu, dass in den Mechanophoren kovalente Bindungen aufbrechen und das Molekül umorganisieren, was den beobachteten Farbwechsel nach sich zieht. Die Reaktion sei zudem reversibel, so dass das Öffnen und Schließen der beteiligten Ringe wiederholt werden kann, erklären die Forscher.

Polymerperlen | Wird Kraft auf die Polymerkügelchen ausgeübt, färben sie sich violett.
Und auch erste Designvorschläge für eine Polymer-Spiropyran-Verbindung liefern sie in ihrer Studie: Jeweils zwei Polymerketten an den entgegengesetzten Seiten des Farbmoleküls sollen eine optimale Kraftübertragung garantieren. So platziert könnten die Mechanophoren den Autoren zufolge als eine Art molekulare Sonde eingesetzt werden, um den Zustand beziehungsweise die momentane Beanspruchung von polymeren Materialien anzuzeigen – und zu handeln, bevor größere Schäden entstehen.

Der nächste Schritt sei nun die ersten technischen Anwendungen tatsächlich zu realisieren. Mögliche Einsatzorte für die neu entwickelten Polymere gibt es schließlich genug: Seile von Fallschirmspringern oder Kletterern oder intelligente Beschichtungen für Brücken, welche bei zu großer Belastung die Farbe ändern. Allerdings stehen bis dahin noch einige Probleme im Weg: Zum Beispiel reagieren die Spiropyran eben auch auf Licht und Wärme, wodurch ihr warnender Schein leicht trügen könnte und falschen Alarm schlägt.

Trotzdem liefern Sottos und ihr Team interessante Ideen für intelligente Polymere. Denn denkbar wären auch Mechanophoren, die bei Belastung auch andere Aufgaben erledigen. Dabei träumen die Forscher um Sotto etwa von synthetischen Materialien, die selbstheilende Eigenschaften aufweisen. Bis Stühle mit dieser Technik ausgestattet sind und so oder so einen Sturz verhindern wird sich allerdings wohl noch manche Slapstickszene ereignen.

Schreiben Sie uns!

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

  • Quellen
Davis D. A. et al.: Force-induced activation of covalent bonds in mechanoresponsive polymeric materials. In: Nature 459, S. 69–71, 2009

Partnerinhalte