Selbstheilende Materialien Wie sich Risse von allein schließen

Der böse Android im Film "Terminator 2" machte es vor: Wunden in seinem flüssigen Metallkörper heilten binnen Sekunden. Forscher versuchen, diese Technik in die Realität umzusetzen, und entwickeln selbstheilende Materialien. Jetzt stehen die ersten Substanzen vor der Marktreife.

Von Wolfgang Knierzinger

Janet Sinn Hanlon / University of Illinois at Urbana Champaign

Mimetische Polylegierung nannte sich jenes flüssige Etwas, das dem Androiden T-1000 aus "Terminator 2" zu faktischer Unverwundbarkeit verhalf. Wie Science-Fiction-Fans bestätigen werden, verstand sich der wortkarge Bösewicht kraft eines flexiblen Metallkörpers trefflich darauf, ihm zugefügte Schusswunden innerhalb weniger Sekunden auszuheilen.

Die Selbstreparatur klappte zumindest im Film problemlos: Entstandene Löcher wurden binnen Sekunden von flüssigem Metall wieder geschlossen. Reale Werkstoffe können zwar mit solchen Kunststückchen noch nicht ganz mithalten - Forscher arbeiten jedoch an diversen Methoden zur Selbstheilung von Materialien.

Eine äußerst vielversprechende - eine Art selbstheilender Biobeton - wird gegenwärtig in den Niederlanden an der TU Delft entwickelt. Dem Beton werden kalkausscheidende Bakterien beigemengt.

Bakterieller Beton

Wenn sich nach dem Aushärten des Betons ein Riss auftut und durch die Luftfeuchte oder anderen Niederschlag Wasser in den Spalt gelangt, reaktivieren sich die Bakterien und setzen eine Autoreparatur in Gang. Die Mikroorganismen produzieren Kalk, die von ihnen benötigte Nahrung (Hefeextrakt und Pepton) haben die Forscher dem Beton beigefügt.

"Wir haben das neue Material bisher nur unter Laborverhältnissen getestet", erläutert Henk Jonkers von der TU Delft. "Erste Außeneinsätze sind für das nächste Jahr geplant. Um etwaige Komplikationen auszuschließen, wird die Testphase etwa drei bis fünf Jahre in Anspruch nehmen."

Nicht nur herkömmlicher Beton zeigt Ermüdungserscheinung - auch Metalle setzen mit den Jahren Rost an und büßen wichtige Materialeigenschaften ein. Korrosion ist ein oftmals unterschätzter Kostenfaktor, wie Ralf Feser vom Labor für Korrosionsschutztechnik der FH Südwestfalen weiß: " Rund drei bis vier Prozent des Bruttoinlandprodukts von Industrienationen gehen durch Korrosion verloren", sagt Feser unter Berufung auf eine neuere, vom US-Verkehrsministerium durchgeführte Studie.

Rostschutz durch Nanokügelchen

Schäden durch Rost könnten auch dank intelligenter Materialien verhindert werden, glauben Forscher vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart. Sie haben ein neuartiges Anti-Korrosionsverfahren entwickelt, bei dem kleine flüssigkeitsgefüllte Nanokügelchen (Durchmesser rund 200 Nanometer) in ein galvanisch beschichtetes Metall eingebettet werden.

Wird die Oberfläche durch einen Riss beschädigt, platzen die Kügelchen auf, und die Flüssigkeit tritt aus. Abhängig vom zu schützenden Material kommen dabei unterschiedliche Chemikalien zum Einsatz:"Das reicht von Phosphaten im Fall von Zink über Oxydationsmittel zur Erzeugung einer nichtmetallischen Schutzschicht bis hin zu einem Lack, der für eine oberflächliche Beschichtung sorgt", sagt der Chemiker Christian Mayer, der an der Universität Duisburg-Essen die Nanokügelchen herstellt.

Das Verfahren kommt aber nicht nur für Anti-Korrosionsbeschichtungen in Frage. Potentielle Anwendungsfelder gibt es reichlich. Beispielsweise können mit Schmierstoffen gefüllte Nanokügelchen in die Oberflächen maschineller Lager integriert werden. Bei auftretender Reibung werden die Kügelchen aufgescheuert und geben den Schmierstoff an die Umgebung ab.

Die Idee, ein Material mit gefüllten Minikugeln zu verbessern, ist nicht neu. Schon im Jahre 2001 testeten Forscher am Beckman Institute der University of Illinois in Urbana-Champaign erfolgreich Mikro-Klebkapseln. Bei Rissen platzen sie auf und verschließen die entstandenen Spalten schnell wieder. Die amerikanische Firma Autonomic Materials will die Klebematerialien vermarkten. Das Unternehmen sieht Anwendungsgebiete überall dort, wo allerhöchste Materialzuverlässigkeit verlangt wird, etwa im Luftfahrtsektor, in der Energiewirtschaft und bei Autolacken.

Die Mikrokapseltechnik hat jedoch einen wesentlichen Nachteil: Sind die Kügelchen erst mal geborsten, ist keine weitere Heilung mehr möglich. In dieser Hinsicht ist die Natur mit ihren fein verästelten Blutgefäßen der gegenwärtigen Materialwissenschaft noch weit voraus. Allerdings wird auch hier der Abstand zusehends kleiner.

Mikronetzwerke befördern Klebstoff

Wissenschaftler machen sich das Prinzip organischer Transportsysteme (Leitbündel in Pflanzen, Blutbahn) beim Bau von Materialien bereits seit Jahren zu Nutze. Beispielsweise in feingliedrigen Kohle- oder auch Glasfasernetzwerken, in denen Spezialkleber und Härter getrennt voneinander eingebettet sind. Bei Beschädigung wird der Heilungsprozess durch die Vermischung der beiden Komponenten initiiert.

Mit einer solchen Technik gelang es vor kurzem Wissenschaftlern am Beckman Institute, die Selbstreparatur bei einzelnen Rissen bis zu 16 Mal von Neuem in Gang zu setzen. Der Materialwissenschaftler Sybrand van der Zwaag von der TU Delft dämpft jedoch allzu hohe Erwartungen auf einen baldigen kommerziellen Durchbruch: "Die Kosten, die bei der Herstellung derart komplizierter Strukturen anfallen, sind enorm", erklärt der Forscher.

Aussichtsreicher nimmt sich da schon eine Methode aus, die Marek Urban und seine Kollegen von der University of Southern Mississippi in Hattiesburg in diesem Jahr vorgestellt haben. Die Wissenschaftler hatten eine Polyurethan-Beschichtung entwickelt, die unter Einwirkung von UV-Strahlung selbstheilende Eigenschaften zeigt. Möglich machen dies die beiden Zusätze Oxetan und Chitosan.

Wird die ringförmige Molekularstruktur der organischen Verbindung Oxetan, zum Beispiel durch einen Kratzer, beschädigt, bilden sich zwei reaktive Enden. Fällt nun Sonnenlicht ein, spalten sich die Molekularketten des Polysaccharids Chitosan auf und vernetzen sich daraufhin mit dem reaktiven Oxetan.

Kleinere Beschädigungen können auf diese Weise innerhalb einer halben Stunde "ausgeheilt" werden. Im Unterschied zu früheren Ansätzen funktioniert die Technik auch bei feuchten Witterungsbedingungen. " Erste kommerzielle Anwendungen erwarte ich in ein bis zwei Jahren", sagt Urban und verweist auf ein Venture Capital-Unternehmen, das die Vermarktung der Technologie übernimmt.

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Forum - Diskussion über diesen Artikel
insgesamt 10 Beiträge
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Seite 1
systemfeind 27.10.2009
1. automatische Versiegelung ( beim A-10 )
Zitat von sysopDer böse Android im Film "Terminator 2" machte es vor: Wunden in seinem flüssigen Metallkörper heilten binnen Sekunden. Forscher versuchen, diese Technik in die Realität umzusetzen und entwickeln selbstheilende Materialien. Jetzt stehen die ersten Substanzen vor der Marktreife. http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,656254,00.html
es gibt tatsächlich Treibstofftankinnenbeschichtungen welche nach einem Durchschuss ( bis max. 7,62 ) den Tank von innen mit einer speziellen Kunststoffmasse versiegeln um den Austritt des Flugbenzins zu verhindern .
Aaba_Aaba 27.10.2009
2. auch schon bei Me 262 von 1944
Beim Düsenjäger Me 262 bestanden die Treibstofftanks aus einem 3-lagigen Material. Die mittlere Schicht besaß eine quellende Eigenschaft um mögliche Löcher zu schließen. Sie reagierte mit Luft (?) oder Treibstoff (?) (Jaja das Gedächtnis).
eotunun 27.10.2009
3. Nicht nur
Zitat von Aaba_AabaBeim Düsenjäger Me 262 bestanden die Treibstofftanks aus einem 3-lagigen Material. Die mittlere Schicht besaß eine quellende Eigenschaft um mögliche Löcher zu schließen. Sie reagierte mit Luft (?) oder Treibstoff (?) (Jaja das Gedächtnis).
Diese Technik Bauweise der selbst dichtenden Tanks war bei den meisten Kampfflugzeugen seit Mitte der 30er Jahre Standard, lediglich Russen und Japaner verzichteten häufig auf diese Überlebenshilfe, bereits die Ingenieure rechneten auf die Opferbereitschaft der Piloten.. Es waren doppelwandige Tanks mit unter Druck in den Zwischenraum eingespritztem Kautschuk, soweit ich mich entsinne. Das geht zwar in die selbe Richtung wie das beschriebene Glasfaserkabel, aber Beton mit Bakterien und mit Nanopartikeln (Fulerene, vermutlich?) dotierte Werkstoffe sind eine grandiose neue Idee.
r baron, 27.10.2009
4. Kernkraft damals
Zitat von sysopDer böse Android im Film "Terminator 2" machte es vor: Wunden in seinem flüssigen Metallkörper heilten binnen Sekunden. Forscher versuchen, diese Technik in die Realität umzusetzen und entwickeln selbstheilende Materialien. Jetzt stehen die ersten Substanzen vor der Marktreife. http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,656254,00.html
Koennen die SPIEGEL Redakteure kein Deutsch. Alptraum schreibt sich mit "b", also richtig Albtraum.
huubert 27.10.2009
5. wer weiß
Zitat von r baronKoennen die SPIEGEL Redakteure kein Deutsch. Alptraum schreibt sich mit "b", also richtig Albtraum.
uuuuh.... http://www.duden.de/definition/albtraum
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