Selbstheilende Materialien im Neutronenlicht

Ein Material, das sich nach einem Riss selbst repariert – klingt nach Science-Fiction, wird aber bereits in Form von Hydrogelen für die Wundheilung oder in der Landwirtschaft eingesetzt. Forschende haben am Heinz-Maier-Leibnitz-Zentrum (MLZ) mit Neutronen untersucht, wie solche selbstheilenden Polymere aufgebaut sind und wie sie sich verhalten.

Selbstheilende Hydrogele Künstlerische Darstellung selbstheilender Hydrogele mit hervorgehobener innerer Struktur: mizellenartiger Kern (orange) umgeben von freien Polymerbereichen (blau) außen. © generiert mit KI, Gemini

Künstlerische Darstellung selbstheilender Hydrogele mit hervorgehobener innerer Struktur: mizellenartiger Kern (orange) umgeben von freien Polymerbereichen (blau) außen. © generiert mit KI, Gemini

Bei selbstheilenden Hydrogelen handelt es sich um Gele, die aus Polymernetzwerken mit vorübergehenden Bindungen bestehen. Aufgrund ihrer wasserspeichernden Eigenschaften sind sie in der medizinischen Wundversorgung sowie für Wasser- und Düngerspeicherung in der Landwirtschaft beliebt. Da die Bindungen innerhalb selbstheilender Hydrogele nur temporär sind und sich immer wieder neu bilden, können sie Defekte, wie beispielsweise Risse, selbst beheben.

Struktur und Bewegung: Einblicke in Mizellen von Hydrogelen

Ein Forschungsteam hat mithilfe von Neutronenmessungen am MLZ genauer entschlüsselt, wie diese Selbstheilung im Inneren bestimmter Hydrogelen funktioniert. „Polymere bilden bei steigender Konzentration blumenartige Mizellen mit einem kompakten Kern, die durch Polymerketten miteinander zu einem Gel verbunden werden. ”, erklärt Mitautor Dr. Olaf Holderer, Instrumentwissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich am MLZ. Im Fokus ihrer Untersuchungen stand daher die Frage, wie sich die Bewegung der äußeren Polymerketten im Vergleich zum dichten Netzwerkkern der Hydrogele verhalten. Dies wurde unter anderem mithilfe von Kleinwinkelstreuexperimenten mit Neutronen (SANS) am KWS-2 und von Neutronenspin-Echo (NSE) am J-NSE am MLZ untersucht.

Pheonix Im Jahr 2017 wurde das Gerät J-NSE „PHOENIX“ aufgerüstet. Das Instrument ist nun mit supraleitenden Hauptspulen ausgestattet, die ein etwa dreimal stärkeres Magnetfelds als zuvor erzeugen können. © Tobias Hase

Im Jahr 2017 wurde das Gerät J-NSE „PHOENIX“ aufgerüstet. Das Instrument ist nun mit supraleitenden Hauptspulen ausgestattet, die ein etwa dreimal stärkeres Magnetfelds als zuvor erzeugen können. © Tobias Hase

Unterschiede zwischen Kernbereich und äußeren Polymerketten

Die Untersuchungen zeigten, dass sich die äußeren Polymerketten ähnlich zu langen Ketten in Flüssigkeiten verhalten. Beim Vergleich mit den Daten des Kerns fanden die Forscher erhebliche Unterschiede im Verhalten, was die Notwendigkeit unterstreicht, den Kern und die äußeren Bereiche getrennt zu betrachten. Auch in Bezug auf die Dynamik unterscheiden sich beide Bereiche deutlich. Olaf Holderer erklärt: „Der Kernbereich zeigt eine deutlich langsamere diffusionsartige Bewegung, die durch das Netzwerk und andere benachbarte Strukturen in ihrer Bewegung eingeschränkt werden.“

Stabilität und Selbstheilung

Dieser wichtige Unterschied in der Bewegung erklärt, warum diese Materialien stabil sind und sich schnell selbst reparieren können. Die schnelle Bewegung der äußeren Ketten ermöglicht selbstheilende Eigenschaften, während die langsame Bewegung im Kernbereich für die Stabilität des Materials sorgt. Dieses Wissen ist für die Verbesserung zahlreicher Anwendungen von Bedeutung, beispielsweise bei der Nutzung solcher Gele zur Wundheilung im biomedizinischen Bereich.