Hart und zugleich dehnbar 20.06.2024, 08:36 Uhr

Neue Materialklasse „glasartige Gele“ heilt sich selbst

Glasartige Gele sind eine neu entdeckte Materialklasse, die sich durch ihre Härte, Dehnbarkeit und Selbstheilungsfähigkeit auszeichnen. Sie haben das Potenzial, in den verschiedensten Bereichen Anwendung zu finden.

glasartiges Gel

Forschende haben eine neue Klasse von Materialien entwickelt, die als "glasartige Gele" bezeichnet werden. Sie sind so hart wie glasartige Polymere, können sich aber bei ausreichender Krafteinwirkung bis auf das Fünffache ihrer ursprünglichen Länge dehnen, ohne zu brechen.

Foto: Meixiang Wang, NC State University

In einer zufälligen Entdeckung haben Forschende eine neue Materialklasse entwickelt: die „glasartigen Gele“. Diese Gele sind halbflüssig und dennoch extrem widerstandsfähig. Sie sind dehnbar, seltsam klebrig und können sich selbst heilen, wenn sie beschädigt werden. Diese überraschenden Eigenschaften machen sie möglicherweise vielseitiger einsetzbar als die üblichen Kunststoffe, die entweder hart und spröde oder weich und leicht zu zerreißen sind.

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Michael Dickey, ein Materialwissenschaftler an der North Carolina State University (NCSU), erklärt: „Wir haben eine Klasse von Materialien entwickelt, die wir als glasartige Gele bezeichnen. Sie sind so hart wie glasartige Polymere, können sich aber bei ausreichender Krafteinwirkung bis zum Fünffachen ihrer ursprünglichen Länge dehnen, ohne zu brechen.“

Eigenschaften der glasartigen Gele

Wie bereits geschrieben, war die Entdeckung der glasartigen Gele zufällig. Der NCSU-Forscher Meixiang Wang experimentierte mit Ionogelen, die aus einem Polymer bestehen, das mit einer ionischen Flüssigkeit getränkt ist und Elektrizität leitet. Wang wollte dehnbare, tragbare Geräte entwickeln, die in Drucksensoren, medizinischen Geräten oder in der Robotik verwendet werden könnten. Durch Veränderung der Zusammensetzung stellte Wang ein Gel her, das zunächst wie ein durchsichtiges, flexibles Plastik aussah. Tests zeigten jedoch, dass es sehr hart, aber nicht spröde war.

Glasartige Gele werden mit einer ionischen Flüssigkeit hergestellt, die ähnlich wie Wasser, aber vollständig aus geladenen Teilchen besteht. Diese Flüssigkeit leitet Elektrizität. Wenn sie mit einem Polymervorläufer gemischt wird, drückt die Flüssigkeit die Polymerketten auseinander und macht das Material weich und dehnbar. Gleichzeitig ziehen die Ionen die Polymerketten stark an, sodass sie sich nicht trennen können. Das Ergebnis ist ein Material, das hart und dehnbar zugleich ist.

Anwendungen und Potenzial

Wie das Forschungsteam herausgefunden hat, trocknen die glasartigen Gele nicht aus, obwohl sie zu 50 bis 60 % aus Flüssigkeit bestehen. Tests haben gezeigt, dass sie eine enorme Bruchfestigkeit und Zähigkeit aufweisen. Das Material kann sich auch selbst heilen, indem es sich bei einem Schnitt neu formt. Zudem verfügt es über eine Art Gedächtnis, das es einem gedehnten Gel ermöglicht, seine Form zu behalten und erst bei Erwärmung wieder in seine ursprüngliche Form zurückzukehren.

Diese regenerativen Eigenschaften sind besonders nützlich für Anwendungen in der Bau-, Elektronik- und Modeindustrie. Materialien, die sich selbst reparieren können, wenn sie beschädigt werden, könnten helfen, den Abfall in diesen Branchen zu reduzieren. Die Forscher sind jedoch noch dabei, die genauen Mechanismen und das „magische Verhältnis“ zwischen Lösungsmittel und Polymer zu verstehen, das diese einzigartigen Eigenschaften der Gele bewirkt.

Herstellung und Vorteile

Die Herstellung glasartiger Gele ist einfach. Die flüssigen Vorläufer der glasartigen Polymere werden mit einer ionischen Flüssigkeit gemischt und in eine Form gegossen. Diese wird dann mit UV-Licht bestrahlt, wodurch das Material aushärtet. Anschließend wird die Form entfernt, und das glasartige Gel bleibt zurück. Diese Technik erfordert keine speziellen LED-Banden, zusätzlichen Kameras oder speziell geschultes Personal, wie es früher notwendig war. Daher sind die Kosten für den Einsatz dieser Technologie erheblich gesunken.

Die einfache Herstellung und die vielseitigen Eigenschaften machen die glasartigen Gele zu einem vielversprechenden Material für die Zukunft. Sie können effizient Strom leiten, was sie zu einer potenziell nützlichen Komponente in Batterien macht. Zudem könnten sie im 3D-Druck zur Herstellung kunststoffähnlicher Materialien verwendet werden, ohne die komplexen Verfahren, die derzeit für die Produktion kommerzieller Kunststoffe notwendig sind.

Michael Dickey und sein Team sind optimistisch, dass die glasartigen Gele nützlich sein werden. „In Anbetracht der vielen einzigartigen Eigenschaften, die sie besitzen, sind wir optimistisch, dass diese Materialien nützlich sein werden“, sagt Meixiang Wang. Bevor jedoch an konkreten Anwendungen gearbeitet wird, möchten die Forscher die Grundlagen der Bildung dieser Materialien besser verstehen.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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