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Hydrogel wird hart wie Glas

Hydrogel
Dieses Hydrogel wird unter Druck glashart. (Bild: University of Cambridge)

Hydrogele sind echte Tausendsassas unter den Materialien – sie kleben unter Wasser, werden zu Superabsorbern und sind der Hauptbestandteil weicher Kontaktlinsen. Jetzt haben Forscher den vielfältigen Eigenschaften dieser vernetzten Polymergerüste noch eine hinzugefügt: Sie haben ein Hydrogel entwickelt, das unter Druck so hart wird wie Glas, aber bei Entlastung sofort wieder zum weichen Gelzustand zurückkehrt. Das Gel ist bei Kompression so stabil, dass man es sogar mit dem Auto überfahren kann. Das Konstruktionsprinzip dieser neuartigen Hydrogele könnte damit neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, erklären die Wissenschaftler.

Schnecken produzieren es, einige Krebse nutzen es und Quallen bestehen sogar fast vollständig daraus: Hydrogel. Diese in nasser Umgebung glibbrige Masse besteht zu mehr als 80 Prozent aus Wasser, verliert aber dennoch selbst eingetaucht nicht ihre Struktur. Gleichzeitig kann ein Hydrogel erstaunlich fest werden, enormen Kräften standhalten oder auf nahezu allen Oberflächen kleben. Möglich wird all dies dank der besonderen Zusammensetzung der Hydrogele. Ihr Gerüst besteht aus vernetzten Polymeren, die zwar Wasser binden können, aber selbst wasserunlöslich sind. Dadurch quillt das dreidimensionale Netzwerk aus physikalisch oder chemisch miteinander verknüpften Polymerketten in feuchter Umgebung auf und wird weich und gelartig. Im trockenen Zustand kann ein Hydrogel dagegen je nach Zusammensetzung und Struktur gummiartig und elastisch bleiben oder erstarren und zu Pulver zermahlen werden.

Käfigmoleküle als Stabilisatoren

Jetzt haben Forscher die Palette der Hydrogel-Eigenschaften um eine weitere ergänzt: Sie haben ein Gel entwickelt, das unter Druck steinhart und stabil wie Sicherheitsglas wird. „Man hat jahrelang vor allem gummiartige Hydrogele hergestellt, aber das war nur die Hälfte des Bildes“, sagt Seniorautor Oren Scherman von der University of Cambridge. „Wir haben nun eine neue Klasse von Materialien entwickelt, die die gesamte Spanne von gummiweich bis glashart abdecken kann.“ Ausgangspunkt des neuartigen Hydrogels war die Beobachtung, dass die als Crosslinker bezeichneten Querverbindungen bei den meisten weichen Hydrogelen bei Krafteinwirkung leicht nachgeben. Sie beruhen oft auf Wasserstoffbrücken und anderen nicht-kovalenten Bindungen, die schnell dissoziieren. „Wir vermuten, dass die Verlängerung der Haltbarkeit dieser Crosslinker es erlaubt, supramolekulare Polymernetzwerke zu erzeugen, die sich wie glasartige Materialien verhalten“, erklären Scherman, Erstautor Zehuan Huang von der University of Cambridge und ihre Kollegen.

Dafür entwickelten die Forscher ein Hydrogel, dessen Querstreben aus sogenannten Cucurbiturilen bestehen – käfigartigen organischen Molekülen, die die beiden Enden der gegenüberliegenden Crosslinker als „Gastmoleküle“ einschließen und festhalten. Die Käfige sorgen dafür, dass die Crosslinker nur sehr langsam auf auseinanderziehende Kräfte reagieren. „Indem wir die chemische Struktur dieser Gastmoleküle verändern, können wir kontrollieren, wie gut das Material Kompressionskräften widerstehen kann“, erklärt Huangs Kollegin Jade McCune.

Hält auch dem Gewicht eines Autos stand

Im Labor testeten die Forscher, wie stabil verschiedene von ihnen hergestellte Varianten dieses Hydrogels waren. Dabei zeigte sich, dass einige Gele noch Drücken von mehr als einem Gigapascal standhielten – dies ist fast 10.000 Mal mehr als der atmosphärische Druck. Statt nachzugeben und zerquetscht zu werden, wurden sie unter der Kompression hart wie Glas. „Die Art, wie das Hydrogel der Kompression standhielt, war überraschend – so etwas hatten wir in Hydrogelen zuvor noch nicht gesehen“, sagt McCune. Dies bestätigte sich auch in einem Test, bei dem die Wissenschaftler eine rund sieben mal fünf Zentimeter große Hydrogelplatte mit einem 1,2 Tonnen schweren Auto überrollten. „Selbst nach 16-maliger Wiederholung waren keine Risse oder irreversiblen Deformationen sichtbar“, berichtet das Forschungsteam. Stattdessen komprimierte und härtete sich das Hydrogel unter Druck, bekam aber bei Entlastung seine weiche, ursprüngliche Form wieder zurück.

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„Unseres Wissens nach ist das das erste Mal, dass glasartige Hydrogele hergestellt wurden“, sagt Huang. „Damit eröffnen wir ein neues Kapitel im Gebiet der Hochleistungs-Gele.“ Nach Ansicht des Teams erweitern diese modifizierten Hydrogele damit die Einsatzmöglichkeiten solcher Materialien erheblich.

Quelle: Zehuan Huang (University of Cambridge, UK) et al., Nature Materials, doi: 10.1038/s41563-021-01124-x

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