Standort: science.ORF.at / Meldung: "Künstliche Haut fühlt und heilt"

Eine schematische Darstellung eines Moleküls

Künstliche Haut fühlt und heilt

Die menschliche Haut ist etwas Besonderes: Sie ist elastisch, gleichzeitig aber stabil. Sie gibt Reize weiter und verheilt selbstständig. US-amerikanischen Forschern ist es gelungen, diese Eigenschaften in Form eines elektrisch leitenden Kunststoffs nachzubauen.

Materialwissenschaften 13.11.2012

Die Materialwissenschaftler um Benjamin Tee und Chao Wang von der Stanford University sehen verschiedene Anwendungsmöglichkeiten für ihr Material: in Prothesen, Roboterelementen oder als berührungsempfindliche Schutzschicht für einen Computerbildschirm.

Die Studie:

"An electrically and mechanically self-healing composite with pressure- and flexion-sensitive properties for electronic skin applications" ist am 11. November 2012 in "Nature Nanotechnology" erschienen (DOI: 10.1038/nnano.2012.192).

Dynamische Verbindungen

Das Besondere an dem neuen Material ist, dass es Eigenschaften aus zwei "Welten" vereint, die einander normalerweise ausschließen: die "Heilungsfähigkeit" von Kunststoff und die Leitfähigkeit von Metallen. Konkret umgesetzt haben das die Forscher, indem sie langkettige Oligomere verwendeten, die durch Wasserstoffbrücken verbunden sind. Die positiv und negativ geladenen Regionen der Molekülenden ziehen sich nur schwach an, weshalb sie leicht voneinander zu trennen, aber auch leicht wieder zusammenzufügen sind. Denn ähnlich wie bei einem Magneten ziehen sich die Regionen mit unterschiedlicher Ladung an und reorganisieren sich selbstständig.

"Diese dynamischen Verbindungen erlauben es dem Material, sich selbst zu heilen", beschreibt Chao Wang in einer Aussendung der Universität Stanford. Um das flexible Material zu stabilisieren, fügten die Wissenschaftler große Nickelteilchen hinzu, die an den Molekülenden sitzen und einem Strom von Elektronen das Überspringen von einem Molekül zum nächsten ermöglichen. Damit gelang es den Forschern, aus Plastik - normalerweise ein Isolator - einen nach eigenen Angaben "exzellenten Leiter" zu machen.

Durchgeschnitten und "geheilt"

Die Tests sprechen für die Neuentwicklung: Die Forscher nahmen einen dünnen Streifen und schnitten ihn komplett durch. Nach wenigen Sekunden des Zusammenpressens erlangte das Material schon 75 Prozent seiner ursprünglichen Stärke wieder, nach 15 Sekunden 90 Prozent seiner Leitfähigkeit. Innerhalb von 10 Minuten war es mechanisch, nach 30 Minuten elektrisch komplett wieder hergestellt. Selbst wenn das Material immer wieder durchgeschnitten wurde, entstanden keine bleibenden Schäden: Selbst nach dem 50. Mal ließ sich der Streifen biegen und dehnen, als wäre nichts passiert.

Händedruck spüren

Die Nickelteilchen hemmten zwar geringfügig den Selbstheilungsprozess, weil die Wasserstoffbrücken sich nicht so schnell wie gewünscht verbanden. Gleichzeitig verliehen sie dem Material aber nicht nur die Leit-, sondern auch die Tastfähigkeit: Denn sie sind im Netzwerk in sehr regelmäßigen Abständen eingebettet, weshalb eindeutig messbar ist, welche Energie die Elektronen für den Sprung zum nächsten Teilchen benötigen. Wird der Kunststoff gedehnt, gedrückt oder verdreht, verändert sich auch der Abstand der Metallpartikel zueinander, was wiederum den elektrischen Widerstand beeinflusst.

"Diese subtilen Veränderungen können in Information über Druck und Spannung auf der 'Haut' übersetzt werden", schreiben die Tee, Wang und Kollegen. Benjamin Tee meint, dass das Material sensibel genug sei, um einen Händedruck erkennen zu können. Es könnte deshalb ideale Voraussetzungen für den Einsatz in Prothesen haben. Aber auch in der Elektronikindustrie seien Anwendungen denkbar: Elektronische Geräte und Drähte an schwer zugänglichen Orten könnten damit ihre Oberflächen schützen bzw. sich bei Verletzungen selbst heilen. Als nächsten Schritt wollten die Wissenschaftler ihr Material transparent machen - um damit eine durch Risse und Schnitte unzerstörbare Hülle für Telefone und Computer mit Touch Screen zu schaffen.

Elke Ziegler, science.ORF.at

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