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Materialwissenschaft: Selbst ist die Oberfläche

Die Natur dient Wissenschaftlern oft als Vorbild - hatte sie doch viel Zeit, ausgeklügelte Mechanismen zu entwickeln. Selbstheilende Oberflächen sind eines der zahlreichen Beispiele, bei denen sich das Abschauen bereits lohnte. Eine neue Variante kuriert sich mit Hilfe von Sonnenlicht.
Selbstheilung
Das Auto ist des Deutschen liebstes Spielzeug. Es wird poliert, geschrubbt, getätschelt und wehe, ein Kratzer zeigt sich im so überaus pfleglich behandelten Lack: Eine Katastrophe für so manchen von uns. Um diese Problematik wissen auch die Entwickler der geliebten Fahrzeuge und bemühen sich seit vielen Jahren darum, den Gram geplagter Besitzern zu lindern.

Was bei unserer Haut gut funktioniert – nämlich kleine Kratzer und Wunden innerhalb weniger Tage selbst zu heilen – wünschen sie sich auch für andere Oberflächen. Und wo ein Wille ist, ist bekanntlich auch ein Weg. Forscher bringen zum Beispiel winzige, mit Klebstoff gefüllte Kapseln oder Fasern in einen Werkstoff ein. Diese reißen auf sobald eine Schramme entsteht und sorgen mit ihrer Füllung dafür, dass sich die Wunde wieder verschließt. Nach einigen Stunden ist der Kleber ausgehärtet.

An der geflickten Stelle darf allerdings keine zweite Verletzung auftreten, denn schließlich haben die Kapseln ihren Inhalt hier verbraucht. In diesem Punkt ist die Natur mindestens einen Schritt voraus, denn für unsere Haut gilt diese Beschränkung zum Glück nicht. Auch die Ursache dafür wollten Wissenschaftler nun abschauen: Ein verzweigtes Kanalsystem – winzig klein, versteht sich – im Innern des Materials könnte theoretisch für Nachschub sorgen. Mehrere Forschergruppen tüfteln daran, solche und ähnliche Ansätze auch praktisch umzusetzen.

Heilende Strahlung

Die Arbeit von Marek Urban and Biswajit Ghosh von der University of Southern Mississippi in Hattiesburg weicht allerdings von allen bisherigen ab. Sie entwickelten ein Material aus dem vielseitigen Kunststoff Polyurethan, der zum Beispiel in Schwämmen, Verpackungen oder sogar in Kleidung zum Einsatz kommt. Der neue Werkstoff saniert kleine Kratzer selbstständig, wenn er mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird.

Um die Selbstheilungskräfte des Polyurethans zu wecken, griffen die beiden tief in ihren Chemiebaukasten: Zunächst bastelten sie die ringförmige organische Verbindung Oxetan in Chitosanmoleküle ein. Letzteres lässt sich aus Chitin – zu finden beispielsweise im Exoskelett von Krabben und Krebschen – herstellen. Wichtig für ihre Zwecke ist jedoch, dass das Materiel empfindlich auf UV-Licht reagiert. Dazu später mehr – zunächst sorgten die beiden Wissenschaftler mit einigen anderen Zutaten dafür, dass das veränderte Chitosan an das Polyurethan bindet und so ein heterogenes Netzwerk entsteht.

Selbstheilung | Optische und infrarote Aufnahme des Materials mit ursprünglicher Schramme (links), nach einer Belichtungszeit mit ultraviolettem Licht von 15 Minuten (Mitte) und 30 Minuten (rechts).
Durch das eingearbeitete Oxetan verfügen die zusammengeflickten Moleküle nun über Ringe aus je drei Kohlenstoffatomen sowie einem Sauerstoffatom, die relativ leicht aufbrechen. Ein kleiner Kratzer führt bereits dazu, dass sich Ringe öffnen, wodurch jeweils zwei reaktive Enden freigelegt werden. Ein anderer Teil der Verbindung, das Chitosan, reagiert nun auf eingestrahltes UV-Licht, indem es in zwei Ketten aufbricht und freie Radikale abgibt. Daraufhin binden die Chitosanketten an die reaktiven Enden des Oxetans und schließen so allmählich die Schramme.

Nach rund einer halben Stunde waren Kratzer tatsächlich verschwunden, berichten Urban und Ghosh. Die beiden führten die Experimente mit verschiedenen Proben durch, die jeweils andere Stoffmengen an substituiertem Chitosan und Polyurethan enthielten. Eine 120-Watt-UV-Lampe, die mit einer Wellenlänge von rund 300 Nanometern strahlt, diente dabei als Lichtquelle.

Vielseitig einsetzbar

Enthält das Netzwerk nur die Hälfte an verändertem Chitosan, so verlangsamt sich der Heilungsprozess, berichten die Wissenschaftler. Zudem zeigten sie, dass die Selbstheilung überhaupt erst im Zusammenspiel der verschiedenen Zutaten funktioniert. Allerdings kämpft auch diese Methode mit den Problemen ihrer Vorgänger: Wird exakt dieselbe Molekülstelle noch einmal angekratzt, ist es vorbei mit den selbstheilenden Kräften. Die Chancen, dass an ein und derselben Molekülfläche mehrere Kratzer auftreten, seien aber eher gering, beschwichtigt Urban.

Und so sehen er und Ghosh das neue Material auch schon verbaut in Autos, Verpackungsmaterialien, Kleidung und anderen Oberflächen, die Sonnenlicht ausgesetzt sind. Denn auch unter natürlichem Licht würde das Material ähnlich schnell in Ordnung gebracht. Je nach Jahreszeit und Ort zöge die Reparatur sich mal etwas langsamer oder schneller hin.

Zum Jubeln ist es aber eindeutig zu früh, denn bis zur Marktreife sei es noch ein langer Weg, erzählt Urban. Bis dahin muss das Material noch viele Tests über sich ergehen lassen – etwa um die mechanischen Eigenschaften zu testen. Darin also steht es den anderen Ansätzen in nichts nach. Ein wenig werden wir uns mit lästigen Kratzern im Lack wohl noch arrangieren müssen.

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  • Quellen
Ghosh B., Urban M. W.: Self-Repairing Oxetane-Substituted Chitosan Polyurethane Networks. In: Science 458 S. 1458–1460, 2009

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