Materialforschung Gel wird bei Vibration viel fester – die Geburt neuer Klebstoffe!

Redakteur: Peter Königsreuther

Alle wissen, dass normale Werkstoffe mit der Zeit Schaden nehmen, wenn sie „durchgeschüttelt“ werden. Ein besonderes Gel mit piezoelektrischen Eigenschaften reagiert aber ganz anders.

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An der zur University of Chicago gehörenden Pritzker School of Molecular Engineering hat man ein Material entwickelt, das durch Vibrationen nicht geschwächt, sondern fester umso wird.
An der zur University of Chicago gehörenden Pritzker School of Molecular Engineering hat man ein Material entwickelt, das durch Vibrationen nicht geschwächt, sondern fester umso wird.
(Bild: Z. Wang / Nature Materials)

Es könnte noch zuverlässigere Klebstoffe hervorbringen, meinen die an der Entwicklung beteiligten Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering. Auch für Implantate soll es sich einsetzen lassen, weil es sich genau dann verstärke, wenn eine auf es wirkende Belastung am größten sei.

Das neue Material ist laut Beschreibung im Grunde ein Gel, also zunächst mal relativ weich und nachgiebig. Wenn es aber vibriert, steigert sich seine Festigkeit um etwa das 66-fache, betonen die US-Materialexperten. Jedes andere Material wird schwächer, wenn es vibriert. Die Forscher seien aber nun die Ersten, die dieses Verhalten umkehren und zeigen könnten, dass sich ein Material durch mechanische Vibration auch verstärken kann – paradox, aber wahr! Es könnte eine ganz neue Klasse von Klebstoffen daraus werden.

Der zündende Funke in doppelter Hinsicht

Das Team um Prof. Aaron Esser-Kahn hatte, um das zu erreichen, die Idee, piezoelektrisch aktive Werkstoffe in das Gel zu mixen. Denn diese Partikel erzeugen elektrische Energie, wenn sie unter Druck geraten. Bekannt ist der Effekt von den durchaus gut wahrnehmbaren Spannungsstößen, die die elektrischen Zündsysteme in Feuerzeugen verabreichen können, nebst einige Millimeter langem Miniblitz. Bei Drücken des Auslösers wird dabei ein Piezokristall zusammengepresst. Elektronen werden verschoben und die dabei frei werdende Energie entlädt sich als sichtbarer Funken der das gleichzeitig ausströmende Gas entzünden kann. Dieser Effekt könnte innerhalb des Gels dazu führen, dass es sich neu ordnet, dachte man bei sich.

Geklebte Bauteile werden stärker, je älter sie sind!

Das Team habe dutzende Materialkombinationen getestet, bevor man fündig wurde. Der Effekt zeigte sich schließlich an einem Kunststoffgel, dem sie Chemikalien aus der Thiol-Klasse (vom Aufbau her den Alkoholen ähnliche Moleküle, die aber Schwefelwasserstoff-Gruppen als funktionellen Bestandteil tragen, statt OH-Gruppen) beigemischt haben sowie den piezoelektrischen Wirkstoff Zinkoxid. Wird dieses Material dann Vibrationen ausgesetzt, löst die erzeugte elektrische Energie eine zusätzliche Vernetzung der Bestandteile aus – das Material wird fester.

Wichtig sei das nach Meinung der Experten vor allem, um Klebstoffe zu verbessern. Esser-Kahn dazu: „In vielen Fällen sind es Vibrationen, die ein Versagen von geklebten Bauteilen induzieren.“ Klebstoffe auf dieser piezoelektrischen Basis würden aber nicht versagen, sondern ihre Haftwirkung noch verstärken, ist sich der Professor sicher. Man könne sich sogar vorstellen, Gebäudeteile damit auszustatten. Diese würden dann mit dem Alter immer stabiler.

Mehr Informationen sind in Nature Materials nachzulesen.

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