Hautähnliches Material für Wearables entwickelt

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der Donghua University in Shanghai, China, haben ein hautähnliches synthetisches Material vorgestellt, das die Entwicklung so genannter „Wearables“ sowie smarter Kleidung oder künstlicher Haut für Roboter voranbringen soll. Neutronen der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz halfen ihnen, das neue Material genau zu untersuchen.

Arbeiten an der Kleinwinkelstreuanlage KWS-3 an der Außenstelle des Jülich Centre for Neutron Science am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching. © Bernhard Ludewig

Das protonenleitende Kunststoff-Material, ein so genanntes Elastomer, bildet weit besser als bisherige Materialien sowohl die Elastizität unserer Haut nach als auch ihre Selbstheilungskräfte sowie die Fähigkeit, bei Dehnung zu versteifen. Diese Eigenschaften waren bisher nur schwer in ein und demselben Material zu realisieren. Möglich machte es nun die Kombination zweier dynamischer Netzwerke, die miteinander wechselwirken und unterschiedlich auf Dehnung reagieren.

Wearables, kleine vernetzte Computer, die am Körper getragen werden, finden seit Jahren zunehmend Verwendung. Sportlerinnen und Sportler etwa nutzen sie, um zielgenau im optimalen Belastungsbereich zu trainieren, Menschen mit Diabetes können damit ihren Blutzuckerspiegel messen. Zahlreiche weitere Anwendungen sind denkbar, wenn es gelingt, noch kleinere und leistungsfähigere Sensoren und haltbarere und angenehmer zu tragende Geräte, etwa eingearbeitet in Kleidungsstücke, zu entwickeln. Auch die Robotertechnologie würde von Materialien profitieren, die die Tastfunktionen der Haut nachahmen können und dabei ähnlich strapazierfähig sind.

Material muss robust sein und dehnbar bleiben

Im Fokus der Suche stehen Materialien, die sowohl dehnbar als auch robust sind, wozu u.a. die Fähigkeit zur Dehnungsversteifung gehört. Dehnungsversteifung bedeutet, dass ein Material stabiler wird, wenn es verformt wird. Viele weiche Materialien reagieren so. In biologischen Systemen schützt diese Eigenschaft vor Beschädigung durch zu große Deformationen. Dabei findet sich oft eine Kombination aus einem dehnungsversteifenden Netzwerk aus biologischen Polymeren, in das andere weiche Komponenten eingebettet sind.

An der Kleinwinkelstreuanlage KWS-3, die das Jülich Centre für Neutron Research am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum betreibt, analysierte das Forschungsteam die mikroskopische Struktur von Materialien. Dabei deckte es Zusammenhänge zwischen der Struktur und den gesuchten Eigenschaften auf.

Die Wissenschaft sucht nach Wegen, das Konzept derDehnungsversteifung auch auf ionenleitende Materialien zu übertragen, um neue Funktionalitäten für Wearables zu ermöglichen. Die meisten synthetischen Ionenleiter sind jedoch dehnungserweichend. Bei dehnbaren Ionenleitern besteht oft ein Konflikt zwischen Elastizität, Selbstheilung und Dehnungsversteifung. Insbesondere die chemischen Bindungseigenschaften, die eine Selbstheilung bewirken, sind oft nur schwer kompatibel mit denen, die Dehnungsversteifung ermöglichen. Ersteres benötigt stabile chemische Bindungen, letzteres hingegen Bindungen, die sich dynamisch lösen und neu bilden können. Diesen Konflikt aufzulösen, gelang den Forschenden nun, indem sie sich von der Biologie inspirieren ließen.

Neutronen decken rekordverdächtige Eigenschaften auf

Dazu stellten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Shanghai Mischungen aus jeweils zwei Polymer-Netzwerken her, die sich in ihren Eigenschaften ergänzen. Ein Netzwerk löst bestimmte chemische Bindungen bei Dehnung rascher auf als das zweite, das wiederum eine vollständige Reorganisation in die ursprüngliche Form ermöglicht.

Solche Versuche gab es bereits, jedoch fanden die Forscher in ihren Testreihen ein Material mit rekordverdächtigen Eigenschaften: „Unser bestes Elastomer zeigt eine ultrahohe Dehnbarkeit von 1600 %, eine ausgezeichnete elastische Erholung, eine Dehnungsversteifung vermutlich um den Faktor 24 sowie eine fast 100-prozentige Selbstheilbarkeit“, freut sich Dr. Baohu Wu, Instrumentwissenschaftler an der Kleinwinkelstreuanlage KWS-3. „Die Anwesenheit von Zwitterionen verleiht den ionischen Elastomeren zudem Vorteile beim Feuchtigkeits- und Frostschutz, so dass die Elastomere selbst unter rauen Bedingungen Protonen stabil leiten können.“

Originaltext: Angela Wenzik / JCNS

Originalveröffentlichung:

Zhang, W., Wu, B., Sun, S. et al. Skin-like mechanoresponsive self-healing ionic elastomer from supramolecular zwitterionic network. Nat Commun 12, 4082 (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-24382-4

Weitere Informationen:

Leistungsdaten des Neutronenkleinwinkelstreuinstruments 3 (KWS-3): https://mlz-garching.de/kws-3/de

Pressekontakt:
Angela Wenzik
Wissenschaftsjournalistin
Forschungszentrum Jülich
Tel. 02461 61-6048
E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de