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Auf mein Kommando! Klebstoffe lösen sich auf Befehl ab

Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker 2 min Lesedauer

Damit man elektronische Geräte besser reparieren kann, um nachhaltiger zu wirtschaften, braucht es Demontagealternativen. Ein neuartiger Klebstofftyp gehört dazu.

Muscheln kleben verblüffend fest an nassen Felsen. Die Funktion ihrer Klebstoffe ist immer wieder als Vorbild für künstliche Klebersysteme genommen worden. Nun haben Forscher ein System entwickelt, dessen Klebkraft man quasi auf Kommando ausschalten kann. (Bild: Mare Games)
Muscheln kleben verblüffend fest an nassen Felsen. Die Funktion ihrer Klebstoffe ist immer wieder als Vorbild für künstliche Klebersysteme genommen worden. Nun haben Forscher ein System entwickelt, dessen Klebkraft man quasi auf Kommando ausschalten kann.
(Bild: Mare Games)

Die Inspirationsquelle für eine neue Art von Klebstoffen sind die Meister des festen Haftens unter Wasser – die Muscheln. Neu ist der Ansatz aber nicht, denn schon früher wurden durch Muschel inspirierte Klebstoffe entwickelt. Diese basieren auf der sogenannten Thiol-Chinon-Polyaddition. Bei der entstehen Polymere (lange Kettenmoleküle, ähnlich denen von Kunststoffen) mit adhäsiven Thiol-Catechol-Verknüpfungen (thiol-catechol connectivities: TCC – Thiol-substituierte, aromatische Sechsringe mit zwei benachbarten OH-Gruppen, die für die starken Haftungseigenschaften verantwortlich sind). Der Clou ist, dass die Klebkraft derselben dramatisch abnimmt, wenn die Catechol-Gruppen der Klebstoffpolymere zu Chinonen (Sechsringe mit zwei über Doppelbindungen verknüpften Sauerstoffatomen) oxidiert.

Über das Grundgerüst der Monomere (die chemischen Bausteine, aus denen die Polymere aufgebaut sind) lassen sich die Eigenschaften solcher Substanzen einstellen. Ein Team von der Humboldt-Universität zu Berlin, dem Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften (ISAS, Berlin), der Universidad Nacional de General San Martín (Buenos Aires), dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung, sowie von Henkel haben nun gleich zwei verschiedene Typen von TCC-Klebstoffen mit hoher Klebkraft und Scherfestigkeit hergestellt. Dabei wurden biobasierte, peptidische Verbindungen, die so ähnlich auch in den Muscheln vorkommen, mit ihrem Analogon auf fossiler Basis verglichen.

So funktioniert das Abschalten der Klebeigenschaften

Beide Klebstoffe funktionieren, wie gesagt, auch unter Wasser und sind unempfindlich gegen Angriffe von Luftsauerstoff sowie gegen schwache Oxidationsmittel. Durch Oxidation mit dem stark oxidierenden Natriumperiodat (NaIO4) verlieren sie jedoch ihre Klebrigkeit, sodass sich die Klebstoffreste leicht in einem Stück vom Substrat abziehen oder abwischen lassen. Die Oxidation des fossilen Klebstoffes macht die Catechole inaktiv, den Klebstoff aber gleichzeitig wasserabweisender (hydrophob). Daneben zeigt der biobasierte Typ aufgrund vielfältiger anderer Peptidfunktionalitäten diese Abschaltung ohne signifikant hydrophober zu werden.

Das ist das Funktionsprinzip, der von der Muschel inspirierten Klebstoffe, die auf Befehl ihre Adhäsionseigenschaften verlieren.(Bild: Wiley-VCH)
Das ist das Funktionsprinzip, der von der Muschel inspirierten Klebstoffe, die auf Befehl ihre Adhäsionseigenschaften verlieren.
(Bild: Wiley-VCH)

Die Erklärung: die Multifunktionalität ist typisch für Biomaterialien, in denen oft nur die Schlüsselfunktionalitäten abgeschaltet werden. Sonst aber ändert sich nicht viel im Material. Dieser Umstand ermöglicht einen wesentlich schnelleren Entklebungsmechanismus, der beim biobasierten Typ die Klebkraft um 99 Prozent verringert. Die Ursache für die schlechtere Abschaltung (60 Prozent) des fossilen Klebstoffes liegt in der Kompensation, weil hydrophobe Polymere wie (etwa der bekannte Uhu) auch sehr gute Klebstoffe sind. Längerfristig arbeite man nun daran, die chemische Oxidation durch eine direkte elektrochemische Oxidation zu ersetzen, was etwa für die Reparatur von Mobiltelefonen interessant sein könnte.

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