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Exotische Materialien

Beulen und Kratzer heilen sich selbst

Von Roland Wengenmayr

2. Teil: Mikrowürste als Transportbahnen - wie Wissenschaftler die Reparaturchemikalien durchs Material strömen lassen

Deshalb will Sottos ihr System verbessern: "Wir haben angefangen, sogenannte mikrovaskuläre Netzwerke für die Selbstheilung einzubauen." Anstelle von kleinen Kapseln durchzieht dabei ein Netz aus dünnen Röhren das Material. Wie das Blut durch die Blutgefäße können die Reparaturchemikalien dann kontinuierlich durch das Röhrensystem zu einer Bruchstelle strömen. Die Heilmethode funktioniert auch, wenn sich ein Riss am selben Ort mehrmals hintereinander öffnet.

Noch steht diese Forschungsarbeit ganz am Anfang. Doch die Wissenschaftler aus Illinois haben bereits erfolgreich dreidimensionale Systeme aus winzigen Röhren hergestellt, deren Durchmesser nur 10 bis 250 tausendstel Millimeter beträgt. In der Mikro- und Nanotechnik ist vor allem das Bauen in die Höhe, also in der dritten Dimension, ein echtes Problem. Seit Jahrzehnten kämpfen die Hersteller elektronischer Chips damit.

Sottos und White benutzen zu diesem Zweck einen Roboter, der mäandernde Leitungsbahnen aus einer organischen Tinte auf Paraffinbasis auf eine Trägerplatte schreibt. Das Resultat sieht aus, als ob jemand eine mikroskopisch kleine Zahnpastatube ausgedrückt und die Mikrowürste aus Paste schichtweise in Schlingen übereinander gelegt hätte. Der Schlingenstapel wird dann mit Epoxidharz aufgefüllt. Das Harz härtet aus und schließt die Tintenwürste in einen stabilen Klotz ein. In mehreren Schritten wird nun die Tinte entfernt, sodass sich die Mikrowürste in offene Mikrokanäle mit stabilen Wänden verwandeln: Das mikrovaskuläre Netzwerk ist fertig.

Neben Sottos und White entwickeln derzeit auch andere Forschergruppen solche Systeme, die Kapillargefäße künstlich nachahmen, darunter zum Beispiel ein Wissenschaftlerteam um Ilhan Aksay an der Princeton University und die Gruppe von Ian Bond an der University of Bristol in England.

Hohe Sicherheitsanforderungen

Trotz allen Forschungseifers wäre es jedoch unrealistisch anzunehmen, dass selbstheilende Materialien schon bald in tragende Strukturen von Luftfahrzeugen oder Raumfähren eingebaut werden. "Es dauert etwa zehn bis fünfzehn Jahre, bis ein neues Material eingesetzt wird", sagt Marinus Schouten.

Der Materialexperte arbeitet bei der European Aeronautic Defence and Space Company (EADS), die auch den Airbus baut. Wegen der hohen Sicherheitsanforderungen sind Flugzeughersteller extrem konservativ und werden sich bei tragenden Teilen gewiss nicht so schnell auf Baustoffe verlassen, die Defekte selbst heilen können. "Im Moment ist ein Flugzeug so überdimensioniert, dass selbst ein außerplanmäßiger Riss nicht zu einem Schaden führt", sagt Schouten. Dennoch sei das Interesse der Luftfahrtbranche an selbstreparierenden Materialien groß.

Gute Einsatzmöglichkeiten für die neuartigen Werkstoffe sieht Schouten im Innenraum von Flugzeugen. Dort könnten selbstheilende Beschichtungen die Metallstrukturen im Boden vor Korrosion schützen. "Sie können sich nicht vorstellen, welch eine ätzende Flüssigkeit aus Schweiß, Cola, Rotwein und runtergefallenen Fischstückchen entsteht", schmunzelt Schouten. Sogar Titan korrodiert daher im Bodenbereich sehr schnell, wenn Kratzer die Schutzbeschichtung durchlöchert haben. Die Folge: Sämtliche Schienen zur Sitzbefestigung müssen regelmäßig ausgetauscht werden. Eine teure Reparaturmaßnahme, die man sich gern sparen würde.

Dellenresistente Küchenmöbel

Doch nicht nur Risse, auch Verformungen lassen sich mit zukünftigen Kunststoffmaterialien ausheilen. Davon ist Andreas Lendlein überzeugt. Der Leiter des Instituts für Chemie am GKSS Forschungszentrums in Teltow und Mitbegründer des Start-ups mnemoScience arbeitet an Formgedächtnis-Kunststoffen.

Solche Materialien ändern ihre Form bei Erwärmung und können im Prinzip auch Beulen wieder ausbügeln. Sie würden sich zum Beispiel gut als Kotflügel für Autos eignen. Ähnlich wie die Flugzeugindustrie hat die Autobranche jedoch extrem hohe Ansprüche an neu designte Werkstoffe. Der serienmäßige Einbau in den Familienwagen wird deshalb vermutlich noch ein Weilchen auf sich warten lassen.

Dafür setzen auch Industriezweige auf die neuartigen Materialien, von denen man ein solches Engagement kaum erwarten würde. Kürzlich habe sich bei ihm ein Möbelhersteller aus Portugal gemeldet, der seinen Küchenmöbeln gern dellenresistente Oberflächen verpassen würde, erzählt Lendlein. "Das ist ein Projekt, das gerade anläuft."

Während komplexe biomimetische Baustoffe, die sich durch künstliches "Bluten" selbst heilen, wohl noch lange Grundlagenforschung bleiben werden, könnten Materialien mit simpleren Selbstreparaturmechanismen also schon bald den Weg in unseren Alltag finden - unter einer Bedingung: Die Hersteller müssen dann auch wirklich daran interessiert sein, ihren Produkten ein längeres Leben zu verleihen.

© Technology Review, Heise Zeitschriften Verlag, Hannover