Hochmoderne Materialien wie Graphen - eine dünne Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von nur einem Atom - werden von Tag zu Tag leichter, fester und einfacher zu produzieren. Sie bieten ein neues Potenzial für die Umstellung der Industrie von der Wasserentsalzung auf Solarzellen und die Erkennung von Krankheiten.
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Unseren vom Menschen hergestellten Materialien fehlt jedoch noch eine erwünschte Eigenschaft, die natürlicherweise in den Wurzeln von Pflanzen und menschlicher Haut vorkommt: die Fähigkeit, sich selbst zu heilen.
Ein Team unter der Leitung von Scott White von der Universität von Illinois in Urbana-Champaign hat sich vorgenommen, dies zu ändern, indem es Plastik ein künstliches Gefäßsystem hinzufügt. Die Idee ist, die Pseudo-Venen des Materials mit chemisch reaktiven Flüssigkeiten zu füllen, damit sich die Substanzen beim Zerreißen des Kunststoffs verbinden und wie Blut verfestigen können, um das Objekt vor weiteren Beschädigungen zu schützen.
In einem Demonstrationsvideo testet das Team die Technik an einem Kunststoffblock und pumpt zwei Flüssigkeiten durch separate Kanäle in das Objekt, bevor das Material mit einem 4-Millimeter-Bohrer durchstochen wird. Die Bohrwunde erzeugte Risse, die die Flüssigkeitskanäle freigaben, aber dank des Gefäßsystems sickerten die Flüssigkeiten in das Loch und rissen in 20 Minuten und bildeten ein dickes Gel, das die Ausbreitung des Schadens verhinderte. Das Gel verfestigte sich innerhalb von drei Stunden und reparierte sich nach Angaben des Teams zu etwa 60 Prozent so stark wie das ursprüngliche Material.
Die Forscher stellen sich vor, mit dieser Technologie alles zu schützen, von militärischer Ausrüstung bis hin zu Baumaterialien. Dies spart möglicherweise Zeit und Arbeitskräfte in Notsituationen oder auf schwer erreichbaren Arbeitsplätzen.
Der chemische Misch- und Verfestigungsprozess ist möglicherweise jedem vertraut, der jemals in einem Baumarkt gekauftes Epoxidharz verwendet hat. Brett Krull, Mitautor der Studie, sagt jedoch, das Team habe sich von Epoxys weitgehend aufgrund ihrer langsamen Reaktionszeiten verabschiedet.
Obwohl es einen epoxidähnlichen Effekt erzeugt, hilft der neue Kunststoff, Schäden schneller zu reparieren, sagt Krull.
Der grundlegende Unterschied:
"Wir haben unser System so konzipiert, dass es zwei verschiedene Übergänge durchläuft", sagt Krull. "Sobald das Mischen stattfindet, werden zwei chemische Reaktionen ausgelöst, die jedoch in sehr unterschiedlichen Zeiträumen ablaufen."
Laut Krull verwandelt die erste Reaktion die Mischung innerhalb von 30 Sekunden in ein weiches Gel. Dies hält die Chemikalien in dem beschädigten Bereich an Ort und Stelle, während immer noch mehr Flüssigkeiten in das Loch oder den Riss gelangen, bis es gefüllt ist. Die zweite Reaktion, die die Chemikalien in einen Feststoff umwandelt, findet danach mit einer Geschwindigkeit statt, die durch Ändern der Zusammensetzung und der Konzentrationen der Chemikalien gesteuert werden kann.
"Unsere Chemie kommt nicht an die Komplexität eines natürlichen Systems heran", sagt Krull. "Wir haben jedoch ein System mit einer zeitabhängigen Reaktion auf Schäden entwickelt."
White und sein Team haben in der Vergangenheit gezeigt, dass es möglich ist, mikroskopische Risse mithilfe von Epoxidharz und eingebetteten Mikrokugeln auf andere Weise zu heilen. Der neue vaskuläre Ansatz ermöglicht jedoch eine Reparatur in einem viel größeren Maßstab. Mit dieser Technik könnte beispielsweise ein Einschnitt in der Seite eines Unterwasserbohrers oder ein Pockenmark an einem Raumschiff, das mit einem Meteor kollidiert, repariert werden.
Die Forscher stehen weiterhin vor Herausforderungen, wenn sie die selbsthörenden Materialien weiterentwickeln, einschließlich der Frage, wie die Wirksamkeit der Gefäßnetzwerke im Material (in diesem Fall Kunststoff) erhöht werden kann, ohne die Festigkeit oder Leistung wesentlich zu verringern. Das Team möchte dem Material auch die Fähigkeit geben, im Laufe der Zeit von mehreren "Wunden" zu heilen.
Die Chemikalien müssen wahrscheinlich auch angepasst werden, um größere Schadensbereiche zu behandeln. Laut New Scientist führten Löcher im Material, die größer als 8 mm waren, zum Absacken der Chemikalien. Das Team glaubt, dass die Verwendung von Schaum in den Kanälen anstelle von Flüssigkeit dem Material ermöglicht, größere Bereiche zu heilen, obwohl die Forscher diese Option noch nicht getestet haben.
Krull sagt, sie werden auch versuchen, das Material in verschiedenen Umgebungen, wie extremen Temperaturen, unter Wasser oder im Weltraum, effektiv zu machen. (Bisher wurden die Tests hauptsächlich im Labor durchgeführt.)
Obwohl die Technologie eines Tages auf dem Weg zu Konsumgütern sein wird, sollten Sie noch nicht damit rechnen, dass diese selbstheilenden Materialien die Rückseite Ihres iPhones oder die Stoßstange Ihres Autos auf magische Weise reparieren. Die Technologie stecke noch in den Anfängen, sagt Krull. Und da die Forschung von der US-Luftwaffe finanziert wird, wird sie wahrscheinlich zuerst für Kampfflugzeuge, Panzer oder Raumfahrzeuge sowie für Geräte verwendet, die schwer zu reparieren sind, z. B. Unterwasserbohrgeräte.
Aber das ist erst der Anfang dessen, wozu das Material in der Lage sein könnte, sagt Krull.
"Die aktuelle Version ähnelt eher einer Narbe, da das verheilte Material nicht ganz so gut ist wie das Original", sagt Krull. "Unser Fernziel ist es, ein wirklich regeneratives Polymer zu entwickeln, bei dem durch ein Schadensereignis verloren gegangenes Material durch Material der gleichen Zusammensetzung ersetzt werden kann."
