Ein selbstheilendes Sensormaterial wurde entwickelt

Das neue Material kann sowohl in der Prothetik als auch bei der Herstellung elektronischer Geräte eingesetzt werden.

Wissenschaftler versuchen seit Jahren, ein Material zu entwickeln, das menschliche Haut imitiert, dieselben Eigenschaften aufweist und ähnliche Funktionen erfüllt. Die wichtigsten Eigenschaften der Haut, die Wissenschaftler nachbilden möchten, sind Sensibilität und Heilungsfähigkeit. Dank dieser Eigenschaften sendet die menschliche Haut Signale über Temperatur und Druck an das Gehirn und dient als Schutzbarriere gegen Umwelteinflüsse.

Durch sorgfältige Arbeit ist es dem Team von Zhenan Bao, Professor für Chemieingenieurwesen an der Stanford University, erstmals gelungen, ein Material zu entwickeln, das diese beiden Eigenschaften vereint.

In den letzten zehn Jahren wurden zahlreiche Beispiele für „künstliche Haut“ entwickelt, doch selbst die fortschrittlichsten wiesen gravierende Nachteile auf. Manche benötigen hohe Temperaturen zur „Aushärtung“, was ihre Verwendung im Alltag unmöglich macht. Andere werden bei Raumtemperatur wiederhergestellt, verändern dabei aber ihre mechanische oder chemische Struktur, was sie praktisch zu Einwegprodukten macht. Vor allem aber war keines dieser Materialien ein guter Stromleiter.

Zhenan Bao und seine Kollegen haben in dieser Richtung einen großen Schritt nach vorne gemacht und erstmals die selbstheilenden Eigenschaften eines Kunststoffpolymers und die elektrische Leitfähigkeit eines Metalls in einem einzigen Material kombiniert.

Die Wissenschaftler begannen mit einem Kunststoff, der aus langen Molekülketten bestand, die durch Wasserstoffbrücken verbunden waren. Dabei handelt es sich um eine relativ schwache Verbindung zwischen dem positiv geladenen Bereich eines Atoms und dem negativ geladenen Bereich des nächsten. Diese Struktur ermöglichte dem Material eine effektive Selbstheilung nach äußeren Einflüssen. Die Moleküle zerfielen relativ leicht, verbanden sich aber anschließend wieder in ihrer ursprünglichen Form. Das Ergebnis war ein flexibles Material, das die Wissenschaftler mit Karamellbonbons aus dem Kühlschrank verglichen.

Wissenschaftler fügten diesem elastischen Polymer Mikropartikel aus Nickel hinzu, was die mechanische Festigkeit des Materials erhöhte. Darüber hinaus erhöhten diese Partikel seine elektrische Leitfähigkeit: Strom kann leichter von einem Mikropartikel zum anderen geleitet werden.

Das Ergebnis erfüllte alle Erwartungen. „Die meisten Kunststoffe sind gute Isolatoren, aber wir haben einen hervorragenden Leiter erhalten“, resümierte Zhenan Bao.

Anschließend testeten die Wissenschaftler die Fähigkeit des Materials, sich zu erholen. Sie schnitten ein kleines Stück des Materials mit einem Messer in zwei Hälften. Durch leichtes Zusammenpressen der beiden entstandenen Teile stellten die Forscher fest, dass das Material 75 % seiner ursprünglichen Festigkeit und elektrischen Leitfähigkeit wiedererlangt hatte. Eine halbe Stunde später hatte das Material seine ursprünglichen Eigenschaften vollständig wiederhergestellt.

„Auch die menschliche Haut braucht einige Tage, um zu heilen. Ich denke also, dass wir ein ziemlich gutes Ergebnis erzielt haben“, sagte Baos Kollege Benjamin Chi Kion Tee.

Auch den nächsten Test – 50 Schnitterholungszyklen – hat das neue Material erfolgreich bestanden.

Doch damit nicht genug. Künftig wollen sie die Nickelpartikel im Material noch besser nutzen. Sie machen es nicht nur fester und verbessern die elektrische Leitfähigkeit, sondern verringern auch die Selbstheilungsfähigkeit. Der Einsatz kleinerer Metallpartikel könnte das Material noch effektiver machen.

Durch Messung der Materialempfindlichkeit stellten die Wissenschaftler fest, dass das Material Druck in der Stärke eines Händedrucks erkennen und darauf reagieren kann. Bao und sein Team sind daher zuversichtlich, dass ihre Erfindung für Prothesen geeignet ist. Darüber hinaus planen sie, ihr Material so dünn und transparent wie möglich zu gestalten, um damit elektronische Geräte und deren Bildschirme beschichten zu können.

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