Selbstheilend wie Haut, hart wie Zahnschmelz

Dank selbstheilender Beschichtungen könnten sich zersprungene Displays oder Kratzer im Autolack ganz von alleine reparieren. Weltweit arbeiten Forschergruppen an dieser Vision. Trotz erster Erfolge sind die bisher entwickelten Schichten allerdings nur sehr eingeschränkt anwendbar, denn sie bestehen aus relativ weichen Materialien. Nun gelang es Wissenschaftlern, auch einer harten Oberfläche selbstheilende Eigenschaften zu verleihen. Wie sie in der Fachzeitschrift „ACS Nano“ berichten, ahmten sie dazu den natürlichen Aufbau menschlicher Haut nach.

Selbstheilende Schicht unter dem Elektronenmikroskop

Zunächst trug das Team um Ming Yang von der Technischen Universität Harbin in China dünne Schichten aus einem weichen Polymer auf einen Glasträger auf. Nach einer Trocknungsphase wiederholten die Wissenschaftler diesen Vorgang und fügten eine Polymerschicht hinzu, in der zahlreiche stabile Flocken aus Graphenoxid verteilt waren. Die obere Schicht besaß damit ähnliche Eigenschaften wie die sogenannte Hornschicht – die äußerste Schicht menschlicher Haut. Härtemessungen zeigten, dass die Festigkeit dieser Schicht etwa der von natürlichem Zahnschmelz entsprach. „Mit dieser hautähnlichen Struktur kombinierten wir die selbstheilenden Eigenschaften von Haut mit der mechanischen Stabilität von Zahnschmelz“, fasst Yang die Ergebnisse zusammen.

Um die selbstheilenden Eigenschaften zu testen, ritzte das Team einen etwa fünfzig Mikrometer breiten Kratzer in die obere Schicht des Materials. Anschließend befeuchteten die Forscher die beschädigte Fläche mit Wasser. Denn dadurch wurden die unteren, weicheren Polymerschichten mobilisiert: Binnen einer halben Stunde füllten die Polymerketten die Vertiefung des Kratzers aus. Parallel verschoben sich die Graphenflocken der oberen Schicht, sodass der Kratzer selbst unter dem Elektronenmikroskop kaum noch erkennbar war.

Mit ihrem bionischen Ansatz imitierten die Wissenschaftler erfolgreich die selbstheilenden Eigenschaften menschlicher Haut. Auch die Festigkeit ihrer künstlichen Haut war größer als bei anderen bisher entwickelten selbstheilenden Beschichtungen. Vor einer Anwendung müssten allerdings noch weitere Eigenschaften optimiert werden. Für eine Displaybeschichtung wäre beispielsweise wichtig, dass die Struktur ausreichend durchsichtig ist. Weitere Versuche sind derzeit in Vorbereitung. „Wir planen auch, das bionische Design auf selbstheilende Polymerschichten zu übertragen, die auf Licht und Wärme reagieren“, so Yang.