Tastempfindlicher Kunststoff repariert sich selbst

Stanford (USA) – Eine Schutzschicht, die Berührungen spürt und sich bei Beschädigung selbst heilt: Solch ein Material haben Forscher nun erfolgreich entwickelt. Der Kunststoff beginnt Schäden bereits innerhalb von Minuten selbsttätig zu schließen, ohne dass Strukturschäden bleiben. Dies funktioniert sogar mehrfach an derselben Stelle und bei Raumtemperatur. Obendrein ist das biegsame Material elektrisch leitfähig, berichten die Forscher im Fachblatt „Nature Nanotechnology“. Sie sehen Anwendungen in Prothesen und Roboterhaut, aber auch bei selbstreparierenden Schutzbeschichtungen und elektronischen Bauteilen

Kleiner Block aus dunklem Kunststoff, der gerade mit einem Skalpell zerschnitten wird und an Kabel angeschlossen ist. Ein vergrößerter Ausschnitt zeigt kugelförmige Partikel im Material.
Selbstheilendes Material

Chemie-Ingenieurin Zhenan Bao von der Stanford University bescheinigt ihrem neuen Material: die Heilungseigenschaften von Polymeren und die Leitfähigkeit von Metallen. Das Geheimnis des neuen Materials liegt in der Kombination von Kunststoff mit winzigen Nickelteilchen. Ihr Team nutzte sogenannte langkettige Oligomere, verzweigte Makromoleküle, die untereinander dank schwacher Wasserstoffbindungen ein verknäultes Netzwerk bilden. Weil sich die positiv geladenen und die benachbarten negativ geladenen Atomregionen der Molekülenden nur schwach anziehen, sind die Moleküle leicht voneinander zu trennen. Doch bei erneutem Annähern reorganisieren sie sich wieder. Selbst Reiß- und Schnittflächen des biegsamen Kunststoffs fügen sich bei Kontakt erneut aneinander.

Anschließend fügten die Forscher Nanometer große Nickel-Partikel hinzu, um es zu stärken und elektrische Leitfähigkeit von bis zu 40 Siemens pro Zentimeter hinzuzufügen. Die Metallteilchen mit rauer Oberfläche sitzen stabil im Knäuel der Kunststoffmoleküle. Jeder vorspringende Grat und Wulst der Partikel konzentriert dabei elektrische Feldlinien und macht es dem Strom von Elektronen leichter, zum nächsten Partikel zu springen. In Tests bewies das Material, dass es nach Schädigungen sowohl seine mechanische Festigkeit als auch seine elektrische Leitfähigkeit rasch wieder herstellen konnte. Ein dünner Streifen des schwarzen Kunststoffs, per Skalpell komplett zweigeteilt, hatte bereits nach wenigen Sekunden des Zusammenpressens wieder 75 Prozent seiner ursprünglichen Stärke und nach 15 Sekunden rund 90 Prozent seiner Leitfähigkeit erreicht. Binnen zehn Minuten war es mechanisch, binnen dreißig Minuten elektrisch nahezu komplett wieder hergestellt. Und selbst wiederholte Zerstörung an derselben Stelle rief keine nennenswerten Strukturschäden hervor.

Dabei beeinträchtigen die Nickelpartikel den Heilungsprozess zwar etwas, erklären die Forscher, denn sie hindern die Wasserstoffbindungen geringfügig am Wiederverbinden. Auf der anderen Seite verleihen die metallischen Teilchen der künstlichen Haut aber ihre Tastfähigkeit: Weil sie im Netzwerk in sehr regelmäßigen Abständen eingebettet sind, ist klar messbar, welche Energie die Elektronen für den Sprung zum nächsten Teilchen benötigen. Wird der Kunststoff nun gedehnt, gedrückt oder verdreht, so verändert sich der Abstand der Metallpartikel zueinander, was sich in feinen Veränderungen des elektrischen Widerstands widerspiegelt. Darin sehen Bao und Kollegen eine ideale Voraussetzung für den Einsatz an lebensähnlichen Prothesen und weichen Roboterelementen. Doch auch als Herzstück von Drähten oder elektronischen Bauteilen könnte sich das Material bei Schäden selbst reparieren – besonders, wenn sie in sehr unzugänglichen Ecken verbaut sind. Im nächsten Schritt soll der neue Kunststoff nun mithilfe anderer Nanopartikel noch weicher und vor allem transparent werden. Wenn dies gelingt, könnte er auch als tastempfindliche Schutzschicht von Bildschirmen, Verpackungen oder elektronischen Baugruppen dienen.