14.01.2011 - Angewandte Chemie

Es heilt und wächst zusammen: Polymer mit erstaunlichen Selbstheilungseigenschaften

Ein Schnitt in der Haut oder ein Knochenbruch heilt früher oder später von selbst. Ein Kratzer im Autolack oder ein Riss in der Tragfläche eines Flugzeugs dagegen nicht. Materialien mit Selbstheilungskräften könnten helfen, die Lebensdauer von Produkten zu verlängern und Reparaturen zu vereinfachen. Krzysztof Matyjaszewski und seine Kollegen von der Carnegie Mellon University (Pittsburgh, USA) und von der Kyushu University (Japan) haben jetzt ein Polymer entwickelt, das sich bei Bestrahlung mit UV-Licht selbst reparieren kann – immer und immer wieder. Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, ist dies das erste Material, bei dem sich gekappte kovalente chemische Bindungen wiederholt neu knüpfen und sich außerdem völlig getrennte Stücke fusionieren lassen.

Einige bisherige feste selbstheilende Materialien enthalten winzige Kapseln, die bei einer Beschädigung aufreißen und eine Chemikalie freisetzen, mit der sie sich selber reparieren können – allerdings nur ein einziges Mal. Andere Materialien, wie bestimmte Gele, reparieren sich zwar immer wieder, aber ihre Bestandteile sind nicht über kovalente chemische Bindungen verknüpft, die aber gebraucht werden, um einem Material die benötigte Stärke und Stabilität zu verleihen.

Das neue polymere Material des amerikanisch-japanischen Teams ist dagegen stabil und repariert sich immer wieder aufs Neue selber. Das Erfolgsgeheimnis: Das Polymer ist über Trithiocarbonat-Einheiten quervernetzt. Es handelt sich dabei um Kohlenstoffatome, die drei Schwefelatome tragen. Je zwei davon binden mit ihrem zweiten Bindungsarm ein weiteres Kohlenstoffatom. Diese Gruppen haben eine besondere Eigenschaft: unter UV-Bestrahlung können sie sich umstrukturieren. Das Licht spaltet eine Kohlenstoff-Schwefel-Bindung der Trithiocarbonat-Gruppen. Dabei entstehen zwei Radikale – Moleküle mit einem freien, ungepaarten Elektron. Diese sind sehr reaktiv und greifen nun ihrerseits weitere Trithiocarbonat-Gruppen an, wobei neue Kohlenstoff-Schwefel-Bindungen geknüpft, andere gespalten werden und neue freie Radikale entstehen. Die Reaktionskette wird gestoppt, wenn zwei Radikale miteinander reagieren.

Es gelang den Forschern, ein eingeschnittenes Polymerstückchen durch Bestrahlung zu heilen – entweder in einer Flüssigkeit oder direkt als Festststoff. Dazu wurden die Schnittkanten einfach fest aneinandergedrückt und bestrahlt. Durch die beschriebene radikalische Neuorganisation der Kohlenstoff-Schwefel-Bindungen wuchsen die Schnittkanten wieder zusammen.

Der Selbstheilungseffekt geht aber noch viel weiter: Sogar geschredderte Polymerproben ließen sich durch einfaches Zusammenpressen und Bestrahlen zu einem durchgehenden Stück fusionieren. Das entstehende Stück hatte dann die Form des zylindrischen Röhrchens, in dem die Prozedur ablief. Dieser Selbstheilungsprozess lässt sich viele Male mit der selben Probe wiederholen. Das Material könnte damit auch als neues recycelbares Produkt interessant sein.

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