Die Selbstheilungskräfte der Technik

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 1990er 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.

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 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.

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.

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 AndrÈ Laschewsky vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung in Golm bei Berlin.

Deshalb will Sottos ihr System verbessern: "Wir haben angefangen, so genannte mikrovaskuläre Netzwerke für die Selbstheilung einzubauen." Anstelle von kleinen Kapseln durchzieht dabei ein Netz aus dünnen Röhren das Material. Wie das Blut durch die Blutgefäße können die Reparaturchemikalien dann kontinuierlich durch das Röhrensystem zu einer Bruchstelle strömen. Die Heilmethode funktioniert auch, wenn sich ein Riss am selben Ort mehrmals hintereinander öffnet.

Noch steht diese Forschungsarbeit ganz am Anfang. Doch die Wissenschaftler aus Illinois haben bereits erfolgreich dreidimensionale Systeme aus winzigen Röhren hergestellt, deren Durchmesser nur 10 bis 250 tausendstel Millimeter beträgt. In der Mikro- und Nanotechnik ist vor allem das Bauen in die Höhe, also in der dritten Dimension, ein echtes Problem. Seit Jahrzehnten kämpfen die Hersteller elektronischer Chips damit.

Sottos und White benutzen zu diesem Zweck einen Roboter, der mäandernde Leitungsbahnen aus einer organischen Tinte auf Paraffinbasis auf eine Trägerplatte schreibt. Das Resultat sieht aus, als ob jemand eine mikroskopisch kleine Zahnpastatube ausgedrückt und die Mikrowürste aus Paste schichtweise in Schlingen übereinander gelegt hätte. Der Schlingenstapel wird dann mit Epoxidharz aufgefüllt. Das Harz härtet aus und schließt die Tintenwürste in einen stabilen Klotz ein. In mehreren Schritten wird nun die Tinte entfernt, sodass sich die Mikrowürste in offene Mikrokanäle mit stabilen Wänden verwandeln: Das mikrovaskuläre Netzwerk ist fertig.

Neben Sottos und White entwickeln derzeit auch andere Forschergruppen solche Systeme, die Kapillargefäße künstlich nachahmen, darunter zum Beispiel ein Wissenschaftlerteam um Ilhan Aksay an der Princeton University und die Gruppe von Ian Bond an der University of Bristol in England.

Trotz allen Forschungseifers wäre es jedoch unrealistisch anzunehmen, dass selbstheilende Materialien schon bald in tragende Strukturen von Luftfahrzeugen oder Raumfähren eingebaut werden. "Es dauert etwa zehn bis fünfzehn Jahre, bis ein neues Material eingesetzt wird", sagt Marinus Schouten. Der Materialexperte arbeitet bei der European Aeronautic Defence and Space Company (EADS), die auch den Airbus baut. Wegen der hohen Sicherheitsanforderungen sind Flugzeughersteller extrem konservativ und werden sich bei tragenden Teilen gewiss nicht so schnell auf Baustoffe verlassen, die Defekte selbst heilen können. "Im Moment ist ein Flugzeug so überdimensioniert, dass selbst ein außerplanmäßiger Riss nicht zu einem Schaden führt", sagt Schouten.

Dennoch sei das Interesse der Luftfahrtbranche an selbstreparierenden Materialien groß. Gute Einsatzmöglichkeiten für die neuartigen Werkstoffe sieht Schouten im Innenraum von Flugzeugen. Dort könnten selbstheilende Beschichtungen die Metallstrukturen im Boden vor Korrosion schützen. "Sie können sich nicht vorstellen, welch eine ätzende Flüssigkeit aus Schweiß, Cola, Rotwein und runtergefallenen Fischstückchen entsteht", sagt Schouten. Sogar Titan korrodiert daher im Bodenbereich sehr schnell, wenn Kratzer die Schutzbeschichtung durchlöchert haben. Die Folge: Sämtliche Schienen zur Sitzbefestigung müssen regelmäßig ausgetauscht werden. Eine teure Reparaturmaßnahme, die man sich gern sparen würde.

Doch nicht nur Risse, auch Verformungen lassen sich mit zukünftigen Kunststoffmaterialien ausheilen. Davon ist Andreas Lendlein überzeugt. Der Leiter des Instituts für Chemie am GKSS Forschungszentrums in Teltow und Mitbegründer des Start-ups mnemoScience arbeitet an Formgedächtnis-Kunststoffen. Solche Materialien ändern ihre Form bei Erwärmung und können im Prinzip auch Beulen wieder ausbügeln. Sie würden sich zum Beispiel gut als Kotflügel für Autos eignen.

Ähnlich wie die Flugzeugindustrie hat die Autobranche jedoch extrem hohe Ansprüche an neu designte Werkstoffe. Der serienmäßige Einbau in den Familienwagen wird deshalb vermutlich noch ein Weilchen auf sich warten lassen. Dafür setzen auch Industriezweige auf die neuartigen Materialien, von denen man ein solches Engagement kaum erwarten würde. Kürzlich habe sich bei ihm ein Möbelhersteller aus Portugal gemeldet, der seinen Küchenmöbeln gern dellenresistente Oberflächen verpassen würde, erzählt Lendlein. "Das ist ein Projekt, das gerade anläuft."

Während komplexe biomimetische Baustoffe, die sich durch künstliches Bluten selbst heilen, wohl noch lange Grundlagenforschung bleiben werden, könnten Materialien mit simpleren Selbstreparaturmechanismen also schon bald den Weg in unseren Alltag finden - unter einer Bedingung: Die Hersteller müssen auch wirklich daran interessiert sein, ihren Produkten ein längeres Leben zu verleihen.

(entnommen aus Technology Review Nr. 2/2005; das komplette Heft können Sie hier bestellen) (sma)