Mehr als elastisch: Organischer Kristall zeigt Superelastizität

09.05.2014 - Japan

Nicht nur Gummi ist elastisch. Daneben gibt es noch eine ganz andere Form von Elastizität, die „Superelastizität“, die auf einer Änderung der Kristallstruktur beruht und bisher nur bei Legierungen und bestimmten anorganischen Materialien bekannt war. Ein japanischer Wissenschaftler stellt in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt erstmals eine superelastische organische Verbindung vor.

Unter „Superelastizitat“, auch als „Pseudoelastizität“ bezeichnet, versteht man die Eigenschaft spezieller Materialien, nach beträchtlicher Verformung bei Entlastung in ihre Ausgangsform zurückzukehren. So lassen sich z.B. bestimmte Legierungen etwa zehnmal mehr dehnen als herkömmliche Federstahle, ohne bleibend verformt zu werden. Der Mechanismus ist ein anderer als bei der gewöhnlichen Elastizität gummiähnlicher Stoffe: Bei der Gummielastizität werden die Polymerketten durch eine Dehnung gestreckt, eine Stauchung ist nicht möglich. Bei superelatischen Materialien löst eine mechanische Spannung dagegen eine Änderung der Kristallstruktur aus – ohne dass einzelne Atome dabei ihre Plätze wechseln. Bei Entlastung kehren die Stoffe wieder in die alte Struktur zurück. Solche Materialien sind interessante Kandidaten für Werkstoffe mit „Formgedächtnis“, z.B. für „selbstreparierende“ Bauteile von Autos.

Auch mehr als 80 Jahre nach der ersten Entdeckung der Superelastizität war das Phänomen bisher auf Metalllegierungen und Keramiken beschränkt; für organische Materialien war es völlig unbekannt. Satoshi Takamizawa von der Yokohama City University hat jetzt erstmals Superelastizität bei einem organischen Kristall gefunden: Terephthalamid-Kristalle reagieren bereits bei erstaunlich geringer Krafteinwirkung superelastisch.

Unter Scherspannung auf eine bestimmte Kristallfläche wird der Kristall zunächst gebeugt, dann geht er an dieser Stelle in eine andere Kristallphase über. Je mehr Druck ausgeübt wird, desto weiter breitet diese sich entlang des Kristalls aus. Wenn die Spannung nachlässt, wandert die Phasengrenze zurück durch den Kristall, die ursprüngliche Struktur wird wiederhergestellt. Takamizawa und einer seiner Studenten konnten die superelastische Umformung 100 Mal wiederholen, ohne Anzeichen für eine Materialermüdung.

Der Kristall besteht aus einzelnen Schichten schräg angeordneter Terephthalamid-Moleküle (Schichtfolge AAAAA). Unter Scherspannung ändert sich der Winkel, in dem die Moleküle in den Schichten liegen, es entsteht eine Schichtfolge A’BA’BA‘B, die dichter gepackt ist. Zusammengehalten werden die Schichtung durch ein Netzwerk von Wasserstoffbrückenbindungen, die sich unter Druck lösen und bei der Phasenumwandlung anders arrangieren.

Mögliche Anwendungen organischer superelastischer Materialien sind beispielsweise Gelenke aus nur einem Bauteil und Elemente zur Dämpfung von Schwingungen. In der Medizintechnik könnten Implantate aus derartigen Materialien so verformt werden, dass sie sich leicht einführen lassen und dann an Ort und Stelle die gewünschte Form und Größe erreichen.