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Fluid-inspirierte Material-Selbstheilung

Beschichtung für Metalle heilt schnell Kratzer und Schrammen, um Korrosion zu vermeiden

31.01.2019

Es ist kaum zu glauben, dass ein winziger Riss eine gigantische Metallstruktur zum Einsturz bringen könnte. Aber manchmal brechen Brücken zusammen, Rohrleitungen brechen und Rümpfe lösen sich von Flugzeugen aufgrund von schwer erkennbarer Korrosion in winzigen Rissen, Kratzern und Dellen.

Ein Team der Northwestern University hat eine neue Beschichtungsstrategie für Metall entwickelt, die sich innerhalb von Sekunden selbst ausheilt, wenn sie verkratzt, geschabt oder gebrochen wird. Das neuartige Material könnte verhindern, dass diese winzigen Defekte in lokale Korrosion übergehen, die zum Versagen großer Strukturen führen kann.

"Lokalisierte Korrosion ist extrem gefährlich", sagte Jiaxing Huang, der die Forschung leitete. "Es ist schwer zu verhindern, schwer vorherzusagen und schwer zu erkennen, aber es kann zu einem katastrophalen Versagen führen."

Bei Beschädigung durch Kratzer und Risse fließt Huangs zum Patent angemeldetes System leicht und verbindet sich wieder, um direkt vor den Augen schnell zu heilen. Die Forscher zeigten, dass das Material wiederholt heilen kann - auch nachdem es fast 200 Mal hintereinander an genau der gleichen Stelle geritzt wurde.

Während es bereits einige selbstheilende Schichten gibt, arbeiten diese Systeme typischerweise für Schäden im Nanometer- bis Mikrometerbereich. Um eine Beschichtung zu entwickeln, die größere Kratzer im Millimeterbereich heilen kann, suchten Huang und sein Team nach Flüssigkeit.

"Wenn ein Boot durch Wasser fährt, geht das Wasser wieder zusammen", sagte Huang. "Der "Schnitt" heilt schnell, weil das Wasser leicht fließt. Wir wurden inspiriert, zu erkennen, dass Flüssigkeiten, wie Öle, das ultimative Selbstheilungssystem sind."

Aber gewöhnliche Öle fließen zu leicht, bemerkte Huang. Deshalb mussten er und sein Team ein System mit widersprüchlichen Eigenschaften entwickeln: fluidisch genug, um automatisch zu fließen, aber nicht so fluidisch, dass es von der Metalloberfläche tropft.

Das Team stellte sich der Herausforderung, indem es ein Netzwerk aus leichten Partikeln - in diesem Fall Graphenkapseln - schuf, um das Öl zu verdicken. Das Netzwerk fixiert die Ölschicht und verhindert das Abtropfen. Aber wenn das Netzwerk durch einen Riss oder Kratzer beschädigt wird, lässt es das Öl leicht fließen und verbindet sich wieder. Huang sagte, dass das Material mit jedem hohlen, leichten Partikel hergestellt werden kann - nicht nur mit Graphen.

"Die Partikel immobilisieren im Wesentlichen den Ölfilm", sagte Huang. "Damit es an Ort und Stelle bleibt."

Die Beschichtung haftet nicht nur, sondern auch gut - selbst unter Wasser und in rauen chemischen Umgebungen, wie beispielsweise Säurebädern. Huang stellt sich vor, dass es auf Brücken und Booten, die natürlich unter Wasser liegen, sowie auf Metallstrukturen in der Nähe von ausgelaufenen oder verschütteten hochkorrosiven Flüssigkeiten lackiert werden könnte. Die Beschichtung kann auch starken Turbulenzen standhalten und an scharfen Ecken haften, ohne zu verrutschen. Beim Auftragen von Unterwasser auf eine Oberfläche geht die Beschichtung gleichmäßig weiter, ohne winzige Luftblasen oder Feuchtigkeit einzufangen, die oft zu Stiftlöchern und Korrosion führen.

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