Selbstheilend wie Haut, hart wie Zahnschmelz

Harbin (China) - Gegen zersprungene Displays oder Kratzer im Autolack entwickeln einige Forschergruppe selbstheilende Beschichtungen. Trotz erster Erfolge bestehen diese Schichten aber aus relativ weichen Materialien, wodurch sie nur sehr eingeschränkt anwendbar sind. Doch nun gelang es chinesischen Wissenschaftlern, auch einer harten Oberfläche selbstheilende Eigenschaften zu verleihen. Wie sie in der Fachzeitschrift „ACS Nano“ berichten, ahmten sie dazu den natürlichen Aufbau menschlicher Haut nach.

„Mit unserer Struktur kombinierten wir die selbstheilenden Eigenschaften von Haut mit der mechanischen Stabilität von Zahnschmelz“, sagt Ming Yang vom Harbin Institute of Technology. Gemeinsam mit seinen Kollegen deponierte er zuerst mehrere Mikrometer dünne Schichten aus einem weichen Polymer (Polyvinylalkohol, PVA) auf einem Glasträger. Nach einer Trocknungsphase wiederholten sie diesen Vorgang und fügten eine weitere, etwas dünnere Polymerschicht hinzu. In dieser waren jedoch zahlreiche Flocken aus hartem und sehr widerstandsfähigem Graphenoxid verteilt.

Die obere Schicht mit den stabilen Graphenoxid-Flocken entsprach der Hornschicht – Stratum corneum – der menschlichen Haut. Härtemessungen zeigten, dass die Festigkeit dieser Schicht etwa der von natürlichem Zahnschmelz entsprach. Nun ritzten die Forscher in diese Schicht einen etwa 50 Mikrometer breiten Kratzer. Um diesen selbstständig wieder auszuheilen, befeuchtete Ming Yang die beschädigte Fläche mit Wasser. Dadurch wurden die unteren, weicheren Polymerschichten mobilisiert. Binnen einer halben Stunde füllten die Polymerketten die Vertiefung des Kratzers aus. Parallel verschoben sich die Graphenflocken darüber etwas, so dass selbst unter dem Elektronenmikroskop der Kratzer kaum noch erkennbar war.

Mit ihren bionischen Ansatz konnten Yang und Kollegen die selbstheilenden Eigenschaften von menschlicher Haut erfolgreich nachahmen. Auch die Festigkeit ihrer künstlichen Haut war größer als bei anderen bisher entwickelten selbstheilenden Beschichtungen. Vor einer Anwendung für Autolacke oder Displays müssten noch die optischen Eigenschaften optimiert werden, um etwa mit einem kontrolliert dünnen Aufbau durchsichtig genug für eine Displaybeschichtung zu sein. Weitere Versuche sind derzeit in Vorbereitung. „Wir planen auch, das bionische Design auf selbstheilende Polymerschichten zu übertragen, die auf Licht und Wärme reagieren“, sagt Ming Yang.