Kristalle reparieren Risse auch bei tiefsten Temperaturen

Ein internationales Forschungsteam hat einen organischen Kristall entwickelt, der selbst bei extrem niedrigen Temperaturen mechanische Schäden von selbst reparieren kann. Während Materialien bei Kälte gewöhnlich spröde werden und Risse nicht mehr heilen, zeigen diese speziellen Kristalle eine bemerkenswerte Fähigkeit, sich autonom wieder zu schließen und dabei nahezu ihre ursprüngliche Struktur und optischen Eigenschaften zurückzugewinnen.

Ein „Zipper-Effekt“ statt Molekülfluss

Traditionelle selbstheilende Materialien – wie bestimmte Polymere oder Gele – nutzen die Fähigkeit von Molekülen, sich bei höherer Temperatur zu bewegen und Risse zu „verschließen“. Sobald die Temperatur jedoch in den Kryobereich fällt, etwa in der Nähe von flüssigem Stickstoff, kommt dieser Fluss weitgehend zum Erliegen. Für kristalline Festkörper galt daher lange: Kein Fließen, keine Heilung.

Der nun untersuchte Kristall widerspricht dieser Annahme. Seine Bausteine sind organische Moleküle mit ausgeprägten elektrischen Dipolen. Entsteht durch mechanische Belastung ein Riss, wirken diese Dipole wie mikroskopische Anziehungskräfte. Sobald der äußere Stress nachlässt, ziehen sich die gegenüberliegenden Rissflächen wieder an. Der Heilungsprozess verläuft schrittweise, vergleichbar mit dem Zuziehen eines Reißverschlusses, ganz ohne molekulare Diffusion.

Selbstheilung über einen außergewöhnlich breiten Temperaturbereich

Experimente zeigen, dass dieser Mechanismus nicht nur bei Raumtemperatur funktioniert, sondern über einen erstaunlich großen Bereich hinweg: von etwa −196 Grad Celsius bis zu Temperaturen von über 150 Grad Celsius. Besonders bemerkenswert ist, dass der Kristall nach der Reparatur bis zu 99 Prozent seiner ursprünglichen optischen Transparenz zurückgewinnt. Dies deutet darauf hin, dass die innere Kristallstruktur nahezu vollständig wiederhergestellt wird.

Die Rolle der inneren Kristallstruktur

Entscheidend ist die spezielle Anordnung der Moleküle im Kristallgitter. Die Moleküle sind schichtweise gegensinnig polar ausgerichtet. Dadurch entstehen starke elektrostatische Kräfte zwischen benachbarten Ebenen. Wird der Kristall gespalten, bleiben diese Kräfte bestehen und führen dazu, dass sich die getrennten Bereiche wieder exakt ausrichten und zusammenfügen. Da dieser Prozess nicht auf thermische Bewegung angewiesen ist, bleibt er selbst bei extremen Kältebedingungen wirksam.

Bedeutung für Technik und Forschung

Materialien, die sich unter extremen Umweltbedingungen selbst reparieren können, sind für viele Hochtechnologie-Bereiche von großem Interesse. In der Raumfahrt, in der Kryotechnik, bei tieftemperaturtauglicher Sensorik oder in der Quanten- und Supraleiterelektronik können selbst kleinste Risse fatale Folgen haben. Selbstheilende Kristalle könnten hier helfen, Bauteile langlebiger, sicherer und wartungsärmer zu machen.

Noch Grundlagenforschung – aber mit großem Potenzial

Bislang wurde der Effekt an einem spezifischen organischen Kristall nachgewiesen. Ob sich das Prinzip auf andere Materialien übertragen lässt, ist offen. Dennoch zeigt die Arbeit, dass selbst scheinbar starre, kristalline Festkörper über bislang unterschätzte Wege zur Selbstreparatur verfügen. Für die Materialwissenschaft eröffnet sich damit ein neues Forschungsfeld, das langfristig zu völlig neuen Werkstoffklassen führen könnte.