Polymer zeigt Selbstheilung

  • 13. January 2011

Einzelne Teile des Feststoffs bilden unter UV-Bestrahlung neue kovalente Bindungen aus.

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 ein Polymer entwickelt, das sich bei Bestrahlung mit UV-Licht selbst reparieren kann – immer und immer wieder. Wie die Wissenschaftler berichten, ist dies das erste Material, bei dem sich gekappte kovalente chemische Bindungen wiederholt neu knüpfen und sich außerdem völlig getrennte Stücke fusionieren lassen.

Oben ist der Fusionsprozess zweier Polymerstückchen (rot und blau) schematisch dargestellt. An den grünen TTC-Einheiten können neue Querverbindungen entstehen. Das Polymerstückchen im unteren Teil wurde wiederholt zerschnitten und durch UV-Bestrahlung einem Selbstheilungsprozess unterzoggen (oben: erster Durchlauf mit 4h Bestrahlung, unten: zweiter Durchlauf über 12h).

Abb.: Oben ist der Fusionsprozess zweier Polymerstückchen (rot und blau) schematisch dargestellt. An den grünen TTC-Einheiten können neue Querverbindungen entstehen. Das Polymerstückchen im unteren Teil wurde wiederholt zerschnitten und durch UV-Bestrahlung einem Selbstheilungsprozess unterzoggen (oben: erster Durchlauf mit 4h Bestrahlung, unten: zweiter Durchlauf über 12h). (Bild: Y. Amamoto et al., Angew. Chem.)

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 Stärke und Stabilität zu verleihen.

Das neue Material ist dagegen stabil und repariert sich immer wieder aufs Neue. Das Erfolgsgeheimnis: Das Polymer ist über Trithiocarbonat-Einheiten (TTC) 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. Diese greifen 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. Dieser Selbstheilungsprozess lässt sich viele Male mit der selben Probe wiederholen. Das Material könnte damit auch als neues recycelbares Produkt interessant sein.

Angew. Chem. / KK

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