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Hautähnliches Material für Wearables entwickelt

10. September 2021

Jülich/Shanghai, 10.September 2021. 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. 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. 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.

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

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.

Die Wissenschaft sucht nach Wegen, das Konzept 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 Forschern nun, indem sie sich von der Biologie inspirieren ließen.

Dazu stellten die 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. „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.“

Der Jülicher Physiker untersuchte an Neutronenstreuinstrumenten, die das Jülich Centre for Neutron Science am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching betreibt, die mikroskopische Struktur der getesteten Materialien. Zusammenhänge zwischen solchen Strukturen und den gesuchten Eigenschaften aufzudecken half den Forschern, gezielt erfolgversprechende Materialien zu entwickeln.

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)