Autoreifen müssen enormen Belastungen standhalten. Sie rollen über Schlaglöcher, Bordsteinkanten und raue Fahrbahnen, werden tausendfach pro Minute verformt und verlieren dabei ständig kleinste Materialpartikel. Forschende am Massachusetts Institute of Technology (MIT) arbeiten nun an einem Materialkonzept, das genau hier ansetzen könnte. Ihr Trick: Nicht stärkere, sondern gezielt schwächere chemische Bindungen machen den Werkstoff widerstandsfähiger.
Noch handelt es sich um Grundlagenforschung. Gelingt die Übertragung auf moderne Reifenkautschuke, könnten Reifen künftig länger halten und möglicherweise sogar weniger Mikroplastik freisetzen. Auch Schuhsohlen oder Schutzhüllen für Smartphones könnten von dem neuen Ansatz profitieren.
Inhaltsverzeichnis
Schwache Bindungen als Schutzmechanismus
Viele Kunststoffe und Elastomere haben ein ähnliches Problem: Entsteht unter Belastung ein kleiner Riss, kann er sich schnell ausbreiten. Das Material verliert seine Stabilität und versagt.
Das MIT-Team verfolgt deshalb einen ungewöhnlichen Ansatz. Die Forschenden integrieren sogenannte Mechanophore in das Polymernetzwerk. Dabei handelt es sich um spezielle Moleküle, die auf mechanische Belastungen reagieren. Wird das Material stark beansprucht, brechen diese Bindungen gezielt auf und nehmen dabei Energie auf.
Jeremiah Johnson, Professor für Chemie am MIT, beschreibt den Vorgang so: „Wenn sich ein Riss im Material auszubreiten beginnt, spalten sich diese Mechanophore in zwei Teile, was dazu beiträgt, Energie abzuleiten und den Verlauf des Risses umzulenken.“
Vereinfacht gesagt funktionieren die Moleküle wie kleine Sicherheitsventile. Sie opfern sich gewissermaßen selbst, damit der eigentliche Werkstoff intakt bleibt.
Polystyrol als Testmaterial
Für ihre Untersuchungen nutzten die Forschenden zunächst Polystyrol. Der Kunststoff findet sich in zahlreichen Alltagsprodukten wieder, etwa in Verpackungen, Einwegbesteck, Dämmstoffen oder Gehäusen elektronischer Geräte. Polystyrol ist leicht und kostengünstig, gilt aber als vergleichsweise spröde. Genau deshalb eignet es sich gut, um neue Konzepte zur Verbesserung der Schlagfestigkeit zu testen.
Dafür kam ein spezielles Messverfahren zum Einsatz: der Laser-Induced Projectile Impact Test (LIPIT). Bei diesem Verfahren schießen die Forschenden winzige Siliziumdioxid-Partikel mit Geschwindigkeiten von rund 750 m/s auf dünne Kunststoffschichten. So lassen sich extrem schnelle Belastungen simulieren, wie sie beispielsweise beim Sturz eines Smartphones oder beim Aufprall kleiner Partikel auftreten können.
Keith Nelson vom MIT erklärt: „Unsere neuen Messungen zeigen, wie viele zusätzliche Informationen aus den Partikelgeschwindigkeiten vor und nach dem Durchdringen einer dünnen Schicht gewonnen werden können.“
Das Ergebnis fiel eindeutig aus: Das mit Mechanophoren modifizierte Polystyrol konnte deutlich mehr Aufprallenergie aufnehmen als herkömmliches Material.
Was beim Aufprall passiert
Gemeinsam mit weiteren Forschungseinrichtungen untersuchte das Team anschließend den genauen Mechanismus. Beim Einschlag eines Hochgeschwindigkeitspartikels steigt die Temperatur in einem winzigen Bereich des Materials kurzfristig stark an. Dadurch entsteht eine sogenannte mobile Zone, in der sich die Polymerketten besonders leicht bewegen können.
Genau in diesem Bereich brechen die Mechanophor-Bindungen gezielt auf. Sie schaffen kontrollierte Wege für die Energieableitung und verhindern so, dass sich ein größerer Riss durch das Material ausbreitet.
Jeremiah Johnson fasst die Beobachtungen so zusammen: „Es stellte sich heraus, dass die Mechanophore im Vergleich zu sowohl unvernetztem als auch herkömmlich vernetztem Polystyrol zu einer erheblichen Steigerung der Energieableitung führen.“
Der eigentliche Hoffnungsträger sind Autoreifen
Besonders spannend ist, dass sich das Prinzip offenbar nicht nur für Polystyrol eignet. Das Forschungsteam konnte ähnliche Effekte bereits bei Styrol-Butadien-Styrol-Kautschuk (SBS) nachweisen. Dieses Material wird unter anderem für Schuhsohlen, Dachabdichtungen oder Asphaltmodifikationen verwendet.
Noch interessanter ist allerdings der nächste Entwicklungsschritt. Die Forschenden untersuchen derzeit, ob sich die Technik auch auf Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) übertragen lässt. Dieser Werkstoff gehört zu den wichtigsten Bestandteilen moderner Fahrzeugreifen. Sollte dies gelingen, könnten Reifen mechanische Belastungen besser verkraften und langsamer verschleißen.
Weniger Reifenabrieb als Nebeneffekt?
Autoreifen zählen zu den bedeutendsten Quellen für Mikroplastik. Bei jeder Fahrt lösen sich kleinste Gummipartikel und gelangen über die Straße in die Umwelt. Schätzungen zufolge könnte Reifenabrieb für mehr als 10 % des weltweiten Mikroplastikeintrags verantwortlich sein.
Genau hier könnte die neue Materialtechnik einen zusätzlichen Nutzen bieten. Wenn Reifen Stöße und Verformungen besser aufnehmen, könnte sich auch ihr Verschleiß verringern. Ob dieser Effekt tatsächlich eintritt, müssen allerdings weitere Untersuchungen zeigen.
Katharine Covert von der US-amerikanischen National Science Foundation sieht darin großes Potenzial: „Materialien mit energieabsorbierenden Mechanophoren könnten eines Tages dazu beitragen, dass die Reifen Ihres Fahrzeugs auf der Autobahn nicht platzen, oder für schützendere Hüllen für persönliche Elektronikgeräte sorgen.“
Gute Chancen für den Einsatz in der Praxis
Neben den eigentlichen Materialeigenschaften könnte noch ein weiterer Aspekt für die Industrie interessant sein. Externe Fachleute halten den Ansatz grundsätzlich für gut skalierbar. Die zusätzlichen Vernetzungsmoleküle lassen sich sowohl in harte Kunststoffe als auch in elastische Polymere integrieren, ohne dass deren chemischer Aufbau vollständig verändert werden muss.
Offen bleibt allerdings, wie sich solche modifizierten Materialien später recyceln lassen. Gerade bei Massenkunststoffen und Reifenkautschuken spielt dieser Punkt eine wichtige Rolle.
Ein Beitrag von:
