Es wurde ein außergewöhnliches „glasartiges Gel“ entdeckt, das widerstandsfähig, aber dennoch formbar und selbstreparierbar ist

In einer überraschenden Entdeckung haben Forscher eine neue Klasse von Materialien namens „glasartige Gele“ geschaffen, die halbflüssig, aber schwer zu zerbrechen sind, obwohl sie wie Glas aussehen.

Diese Gele sind dehnbar, seltsam klebend und können sich beim Schneiden selbst heilen. Die überraschenden Eigenschaften dieser Gele machen sie möglicherweise für ein breiteres Anwendungsspektrum nützlich als häufig verwendete Kunststoffe, die hart und spröde oder weich und leicht reißen. Die Forschung wurde in Nature veröffentlicht.

„Wir haben eine Klasse von Materialien geschaffen, die wir glasartige Gele nannten. Sie sind so hart wie glasartige Polymere, können sich aber bei ausreichender Krafteinwirkung um das Fünffache ihrer ursprünglichen Länge dehnen, anstatt zu brechen“, sagt Michael Dickey, Materialwissenschaftler an der North Carolina State University (NCSU).

Aber wie bei vielen zufälligen wissenschaftlichen Entdeckungen bestand das Ziel nie darin, eine ganz neue Substanzklasse zu schaffen. „Wir sind auf diese interessanten Materialien gestoßen“, sagt er, als der NCSU-Forscher Meixiang Wang mit Ionogelen experimentierte, Materialien aus einem gequollenen Polymer mit einer ionischen Flüssigkeit, die Strom leitet. Der F

Wang versuchte, dehnbare, tragbare Geräte herzustellen, die in einem Drucksensor, anderen medizinischen Geräten oder in der Robotik verwendet werden könnten. Durch die Änderung der Zusammensetzung stellte Wang ein Gel her, das zunächst wie ein „banales Stück transparenten, flexiblen Kunststoffs“ aussah, bevor Tests zeigten, dass es sehr hart war – aber nicht so spröde wie andere gängige Kunststoffe.

„Als wir erkannten, dass sie bemerkenswerte Eigenschaften hatten, begannen wir sofort damit, sie zu studieren, um sie besser zu verstehen“, sagt Dickey.

Glasartige Gele werden aus einer ionischen Flüssigkeit hergestellt, die Wasser ähnelt, jedoch vollständig aus geladenen Teilchen besteht und daher Elektrizität leiten kann. Beim Mischen mit einem Polymervorläufer drückt die Flüssigkeit die Polymerketten und macht das Material weich und elastisch. Gleichzeitig werden die Ionen auch stark von den Polymerketten angezogen, so dass sie sich nicht trennen und die besondere Fähigkeit zur Selbstreparatur erlangen können.

„Das Endergebnis ist, dass das Material aufgrund der Anziehungskräfte hart ist, sich aber aufgrund des Raums zwischen den Molekülen dennoch dehnen lässt.“ Glasartige Gele trocknen nicht aus, obwohl sie zu 50 bis 60 Prozent aus Flüssigkeit bestehen. und Tests haben gezeigt, dass sie eine „enorme“ Bruchfestigkeit und Zähigkeit haben.

Das Material kann sich auch „selbstheilen“, indem es sich beim Schneiden neu formiert, und verfügt über eine Art Gedächtnis, das es einem gedehnten Gel ermöglicht, seine Form beizubehalten und dann beim Erhitzen wieder in seine ursprüngliche Form zu schrumpfen.

Solche regenerativen Eigenschaften sind zwar ungewöhnlich, aber nicht besonders neu, insbesondere bei elastischen, gelartigen Materialien. Kürzlich ist es Wissenschaftlern gelungen, typischerweise starre Materialien wie Metalle, Glas, Solarpaneele und Beton herzustellen, die heilen, wenn sie brechen. Bei einer Kommerzialisierung könnten Materialien wie diese, die sich bei Beschädigung selbst reparieren können, dazu beitragen, Abfall im Baugewerbe, in der Elektronik und in der Mode zu reduzieren.

Doch die seltsame Kombination der außergewöhnlichen Natur glasartiger Gele wollen die Forscher weiter erforschen.

„Die vielleicht faszinierendste Eigenschaft glasartiger Gele ist ihre Haftfähigkeit“, sagt Dickey. „Wir verstehen, was sie robust und erweiterbar macht, [ma] Wir können nur darüber spekulieren, was sie so klebrig macht.“

Offensichtlich sind weitere Tests und Optimierungen des „Gels“ erforderlich, bevor diese Gele praktisch eingesetzt werden können, aber wenn man über mögliche Anwendungen nachdenkt, sagt Dickey, dass robuste Materialien, die Elektrizität leiten (wie Gel), in Batterien nützlich sind.

Weitere potenzielle Einsatzmöglichkeiten sind der 3D-Druck von kunststoffähnlichen Materialien mit einfacheren Techniken als der Schmelzverarbeitung – der Methode, die derzeit zur Herstellung von kommerziellem Kunststoff aus Ausgangsharzen verwendet wird. Bei diesem Verfahren müssen die Produkte häufig für jede Phase der Kunststoffproduktion an mehrere Anlagen geschickt werden, während glasartige Gele in eine Form eingespritzt und mit UV-Licht ausgehärtet werden können, sodass sie im Grunde nur eine Lampe benötigen.

Doch bevor er sich mit Anwendungen befasst, möchte sein Team laut Dickey besser verstehen, wie diese Materialien entstehen und warum es offenbar eine „magische Beziehung“ zwischen Lösungsmittel und Polymer gibt, die den Gelen ihre einzigartigen Eigenschaften verleiht.

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