Ob ein tonnenschweres Auto oder ein Elefant: Ein neues Hydrogel hält schwerste Belastungen aus, ohne sich dauerhaft zu verformen. Es sieht aus wie ein Stück Qualle, hat aber ganz besondere Eigenschaften, die bei der Entwicklung von Softrobotern, Bioelektronik oder Ersatz-Knorpelgewebe hilfreich sein können.

Britische Chemiker haben ein Hydrogel entwickelt, das enormem Druck standhalten kann. Selbst wenn ein 1,2 Tonnen schweres Auto darauf steht und mehrmals darüberfährt, sieht ein seifenstückgroßes Teil dieser geleeartigen Masse genauso aus wie vor der Belastung. Diese neuartige Eigenschaft könnte nützlich sein für die Gestaltung von Softrobotern, tragbarer Bioelektronik oder dem Ersatz von Knorpelgewebe.

Eine Gruppe um Oren Scherman von der University of Cambridge (Großbritannien) stellt das weiche Material im Fachjournal "Nature Materials" vor. Sie hätten gerade keinen Elefanten zur Hand gehabt, darum wären sie stattdessen mit einem Auto drübergefahren, schreiben die Forscher in ihrem Video dazu.

"Bei einem Wassergehalt von 80 Prozent würde man meinen, es würde wie ein Wasserballon zerplatzen, aber das tut es nicht: Es bleibt intakt und hält enormen Druckkräften stand", wird Scherman in einer Mitteilung seiner Universität zitiert. Lange Zeit hätten Forscher sich vor allem um die gummiartigen Eigenschaften von Hydrogelen gekümmert. Sein Team habe jedoch gezeigt, dass Hydrogel auch Eigenschaften wie bruchsicheres Glas haben könne, betont Scherman.

Geheimnis liegt in Cucurbiturilen

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Das Geheimnis des neuen Materials liegt in einer Molekülklasse namens Cucurbiturile. Sie haben die Gestalt eines Ringes oder einer kurzen Röhre und in ihrem Hohlraum können andere Moleküle chemisch gebunden werden. Diese Bindungen sind normalerweise relativ leicht zu lösen, was zur Dehnbarkeit eines Materials beiträgt. Den Forschern gelang es jedoch, Moleküle zu finden, die länger als üblich in diesen Hohlräumen gebunden bleiben und dadurch dem Polymernetzwerk, in das sie eingebunden sind, eine besondere Widerstandskraft gegen Druck verleihen. Dabei kann sich das Material um bis zu 93 Prozent verformen und wieder in die Ausgangslage zurückkehren.

"Die Art und Weise, wie das Hydrogel der Kompression standhalten kann, war überraschend, es war mit nichts vergleichbar, was wir bei Hydrogelen gesehen haben", sagt Koautorin Jade McCune, ebenfalls von der University of Cambridge. Das Team fand auch heraus, dass die Druckfestigkeit einfach durch Änderung der chemischen Struktur des Gastmoleküls im Cucurbituril kontrolliert werden kann. Mit 80 Prozent Wasseranteil kann das Hydrogel etwa dem 1000-Fachen des Luftdrucks standhalten, ohne zu reißen oder sich dauerhaft zu verformen; mit 45 Prozent Wasseranteil widersteht es sogar dem 10.000-Fachen des Luftdrucks.

"Erstes Mal, dass glasartige Hydrogele hergestellt wurden"

"Nach unserem besten Wissen ist dies das erste Mal, dass glasartige Hydrogele hergestellt wurden", erklärt Zehuan Huang von der University of Cambridge, Erstautor der Studie.

Um zu zeigen, dass sich das Material für Bioelektronik eignet, bauten die Forscher einen Drucksensor daraus. Dieser ermöglicht den Zugang zu hohen Arbeitsdrücken von bis zum 25-Fachen des Luftdrucks bei gleichzeitig großer Empfindlichkeit. Indem sie den Sensor unter der Sohle eines menschlichen Fußes anbrachten, konnten die Forscher drei Bewegungen (Gehen, Springen, Stehen) in Echtzeit überwachen.