Exotische Materialien Beulen und Kratzer heilen sich selbst

Noch fahren Autos aus dellenresistentem Blech nur in Science-Fiction-Romanen. Doch Forscher tüfteln bereits an Beschichtungen, die Beulen, Kratzer und Risse in Eigenregie reparieren können. Schäden im Lack sollen auf ähnliche Art heilen wie Wunden in lebendem Gewebe.

Von Roland Wengenmayr


Unfallwagen: Selbstreparatur bisher nur ein Traum
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Der erste Kratzer im nagelneuen Auto macht es schmerzhaft deutlich: Auch die teuerste Sonderlackierung kann eines nicht - sich selbst reparieren. Darin sind alle künstlichen Materialien einem biologischen Gewebe wie der Haut bisher weit unterlegen.

Wissenschaftler und Ingenieure träumen zwar schon seit langem von Substanzen, die Dellen, Risse oder Kratzer von allein ausheilen können. Besonderes Augenmerk richten sie dabei auf mikroskopische Haarrisse in tragenden Teilen von technischen Geräten, denen Menschen ihr Leben anvertrauen, wie etwa Autos, Flugzeuge oder Raumschiffe. Bis in die neunziger Jahre aber scheiterten alle Ideen an der Komplexität des Problems.

Denn um einen Riss ohne Eingriff von außen zu kitten, bedarf es nicht nur eines zuverlässigen Füllmaterials, das die Fehlöffnung dauerhaft verschließt. Der Kleber muss auch selbstständig an die Reparaturstelle wandern. Nicht umsonst treibt die Natur beim Heilen von Wunden einen hohen Aufwand.

Verkapselter Klebstoff

Fortschritte in der Mikro- und Nanotechnik ermöglichen nun jedoch ganz neue Ansätze zur Lösung der Schwierigkeiten. Entsprechend groß ist zurzeit das Interesse von Industrie und Forschung an den selbstheilenden Materialien. Im Jahr 2002 gründete beispielsweise die amerikanische Raumfahrtbehörde Nasa eigens ein virtuelles Institut, das die Fähigkeiten biologischer Systeme auf künstliche Materialien übertragen soll. Mit insgesamt dreißig Millionen Dollar ausgestattet, umfasst das Institute for Biologically Inspired Materials Arbeitsgruppen bei der Nasa sowie an verschiedenen amerikanischen Universitäten.

Und auch außerhalb dieses Instituts wird in den USA intensiv an den selbstheilenden Substanzen geforscht. Besonders ausgereift sind die Ideen der beiden Materialwissenschaftler Nancy Sottos und Scott White von der University of Illinois in Urbana-Champaign. Ihr Team entwickelt faserverstärkte Spezialkunststoffe, zum Beispiel aus Epoxidharz. Sie sind mit vielen kleinen Mikrokapseln oder noch winzigeren Nanokapseln durchsetzt. Diese Kapseln enthalten einen flüssigen Kleber. Frisst sich nun ein Riss durch das Material, dann reißt er unweigerlich auch einige der Kapseln auf. Der Kleber ergießt sich in den Spalt, füllt die Lücke und verklebt sie wieder. Das Material wird durch die Selbstreparatur an dieser Stelle sogar ein wenig fester, als es vorher war.

Damit das Verfahren funktioniert, darf der Epoxidharz-Kleber nur im Schadensfall aktiv werden. Ansonsten würde er schon in den Mikrokapseln aushärten und seine Wirkung verlieren. Die US-Forscher haben sich deshalb einen Trick ausgedacht: Erst wenn der Kleber auf einen Katalysator trifft, wird er chemisch aktiv.

Die Katalysator-Substanz enthält das Metall Ruthenium. Sie löst im Kleber einen Polymerisationsprozess aus, sodass sich die Moleküle der Kleberflüssigkeit zu einem stabilen molekularen Netzwerk verbinden. So entsteht am Ort des Risses von selbst neues Kunstharz, das die Fehlstelle wieder fest verschließt. Um zu verhindern, dass der Katalysator zu früh mit dem Kleber in Kontakt kommt, steckt er in einer zweiten Sorte von Kapseln, die ebenfalls im Material verteilt sind.

Reparatur mit Verzögerung

Ein natürlicher Heilungsprozess braucht Zeit: Einige Tage dauert es schon, bis nur noch ein bisschen Schorf an den tiefen Schnitt im Finger erinnert. Das gilt auch für den neuen Kitt aus Illinois. Zum vollständigen Aushärten benötigt der Kleber mehrere Stunden. Ein langer Zeitraum, möchte man meinen. Doch die Forscher sind sich sicher, dass dieses Zeitspanne für die meisten Anwendungen reicht.

Flugzeug-Produktion: Branche sehr an selbstreparierenden Materialien interessiert
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So zum Beispiel für Maschinenkomponenten, die mechanischen Vibrationen ausgesetzt sind und dadurch ermüden. Durch die Kunststoffplatinen für elektronische Bauteile etwa fressen sich mit der Zeit feine Mikrorisse - allerdings sehr langsam. Der Kleber kann den Prozess deshalb leicht stoppen. Selbst bei einigen Stunden Aushärtungszeit ist er schneller als der Riss und verfestigt den Kunststoff wieder, bevor sich der Spalt weiter ausbreitet. "Es gibt also ein signifikantes Zeitfenster, in dem wir wachsende Risse heilen können", fasst Nancy Sottos das Phänomen zusammen.

Die Kleb-Kapseln in den Kunststoffen der beiden amerikanischen Forscher sind zu klein, um die Stabilität des Materials zu verringern. Sie haben jedoch einen grundlegenden Nachteil: Sind sie in einem Bereich des Bauteils erst einmal entleert, ist es dort vorbei mit der Fähigkeit zur Selbstheilung. Ein prinzipielles Problem, das höhere biologische Organismen durch die ständige Zufuhr von Blut durch viele kleine Kapillargefäße gelöst haben. Die offene Massenbilanz - also der permanente Nachschub an "Kleber" - sei ein charakteristischer Unterschied zu künstlichen Materialien, erläutert André Laschewsky vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung in Golm bei Berlin.

Weiter in Teil 2:



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