Was sind selbstheilende Materialien?
Selbstheilende Materialien sind Substanzen, die in der Lage sind, strukturelle Risse oder andere Schäden automatisch zu reparieren. Diese Fähigkeit kann die Lebensdauer eines Produkts erheblich verlängern und in einigen Fällen dazu beitragen, Menschen vor Schäden zu schützen. Viele selbstreparierende Produkte wurden von biologischen Prozessen inspiriert, die es lebenden Körpern ermöglichen, zu heilen. Durch Beobachtung der natürlichen Heilungsaktivität auf mikroskopischer Ebene haben Wissenschaftler mehrere Methoden entwickelt, um diese vorteilhafte Fähigkeit in künstlichen Substanzen zu reproduzieren. Es gibt verschiedene Arten von selbstheilenden Produkten, und zur Herstellung dieser Materialien können verschiedene Ansätze verwendet werden. Unabhängig von der Struktur sind alle selbstreparierenden Objekte so konzipiert, dass sie funktionieren, ohne dass ein menschliches Eingreifen erforderlich ist.
Eine Art von selbstreparierendem Produkt ist als mikroverkapseltes System bekannt. Diese selbstheilenden Materialien wurden speziell entwickelt, um winzige Risse in Polymeren zu beheben. Dieser Schaden, der manchmal als "Mikroriss" bezeichnet wird, kann durch mechanischen Verschleiß oder thermische Beanspruchung verursacht werden. Mikroverkapselte Materialien enthalten ein chemisches Mittel, das formuliert ist, um die Polymerstruktur wieder aufzubauen und zu verstärken. Eine Epoxidschicht enthält diese Verstärkungschemikalien in winzigen Taschen, und das Mittel beginnt sich auszubreiten, wenn Strukturschäden dazu führen, dass die kleinen Kapseln platzen.
Mikrovaskuläre Systeme sind eine weitere Vielzahl von selbstheilenden Materialien. Wie bei mikroverkapselten Lösungen wird bei dieser Art von Material ein Heilmittel verwendet, das so lange aufbewahrt wird, bis es benötigt wird. Anstatt in winzigen Kapseln gleichmäßig auf einer Oberfläche verteilt zu sein, werden die nützlichen Chemikalien in künstliche "Venen" oder Kanäle eingebracht, die das Material wabenförmig machen. Durch diese venenähnliche Struktur können Chemikalien kontinuierlich in einen rissigen Bereich gepumpt werden, wodurch anhaltende Schäden vermieden werden.
Eine dritte Methode, mit der selbstheilende Materialien hergestellt werden können, verwendet mechanochemisch aktive Polymere. Dieser Ansatz ähnelt der Art und Weise, wie sich menschliche Knochen nach dem Brechen selbst zu reparieren beginnen. Mit diesem Verfahren werden Polymere erzeugt, die Molekülcluster enthalten, die als "Mechanophore" bezeichnet werden. Diese Cluster neigen von Natur aus dazu, sich mit ähnlichen Molekülen zu verbinden. Wenn ein Polymer unter Spannung steht, bilden die eingebetteten Mechanophoren eine strukturelle Verbindung, ähnlich wie zwei Klettverschlüsse, die zusammengedrückt werden.
Selbstheilende Materialien haben viele praktische Anwendungen. Wissenschaftler haben mit Oberflächen von Raumfahrzeugen experimentiert, die automatisch gefährliche Brüche abdichten, die durch Meteoriteneinschläge oder Weltraummüll verursacht werden. Auch Flugzeuge können von diesen Substanzen profitieren und von der Beständigkeit gegen Risse auf den Steuerflächen. Diese Arten von Materialien können auch in synthetischen kautschukähnlichen Produkten verwendet werden, um Verschleiß zu verhindern und die Lebensdauer der Lauffläche zu verbessern.