Adhäsiv mit Ablöse-Funktion Muschel-inspirierter Klebstoff lässt auf Kommando los

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Klebstoffe sind aus technischen Anwendungen etwa in der Mikroelektronik nicht mehr wegzudenken. Für ein erleichtertes Recycling ist es jedoch nützlich, wenn sich die verklebten Teile „auf Kommando“ wieder voneinander lösen. Hierfür haben Forscher einen neuen Spezialkleber entwickelt, der inspiriert von Muscheln ist.

Moderne integrierte mikroelektronische Geräte sind oft schlecht reparierbar und nur schwer zu recyceln. Auf dem Weg zu einer Kreislaufwirtschaft mit nachhaltigen Ressourcen, weniger Abfall und intelligenten Reparatur- und Recyclingstrategien kommt ablösbaren Klebstoffen eine Schlüsselrolle zu. Einen Ansatz für Klebstoffe, die sich „auf Kommando“ deaktivieren lassen, stellt ein Forschungsteam jetzt in der Zeitschrift Angewandte Chemie vor.

Inspirationsquelle waren die Meister des Unterwasserklebens: Muscheln. Schon früher wurden Muschel-inspirierte Klebstoffe entwickelt. Diese basieren auf der so genannten Thiol-Chinon-Polyaddition, bei der Polymere mit adhäsiven Thiol-Catechol-Verknüpfungen entstehen. Diese thiol-catechol connectivities, kurz TCC, sind Thiol-substituierte aromatische Sechsringe mit zwei benachbarten OH-Gruppen, die für die starken Haftungseigenschaften verantwortlich sind. Der Clou: Werden die Catechol-Gruppen der Klebstoffpolymere zu Chinonen oxidiert, nimmt die Klebkraft dramatisch ab.

Klebkraft per Oxidation abschalten

Das Forscherteam mit Beteiligung der Humboldt-Universität zu Berlin hat zwei verschiedene Typen von TCC-Klebstoffen mit hoher Klebkraft und Scherfestigkeit hergestellt. Dabei wurden biobasierte, peptidische Biscatechol-Ausgangsstoffe des so genannten DiDOPAs, das ähnlich in den Muscheln vorkommt, mit ihrem Analogon auf fossiler Basis verglichen. Beide Klebstoffe funktionieren auch unter Wasser und sind unempfindlich gegenüber Luftsauerstoff sowie schwachen Oxidationsmitteln. 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. Über das Grundgerüst der Monomere lassen sich die Eigenschaften solcher Polymere einstellen.

Biomimetischer Gewebekleber

Miese Haftkraft sinnvoll eingesetzt: Knochen-Kleber nach Muschelvorbild

Während die Oxidation des fossilen Klebstoffes die Catechole inaktiviert, den Klebstoff aber gleichzeitig wasserabweisender macht, zeigt der biobasierte Typ aufgrund vielfältiger anderer Peptidfunktionalitäten die Abschaltung, ohne signifikant hydrophober zu werden. „Die Multifunktionalität ist typisch für Biomaterialien, in denen oft nur die Schlüsselfunktionalitäten abgeschaltet werden und sich sonst nicht viel im Material ändert“, erklärt Prof. Dr. Hans Börner von der Humboldt-Universität zu Berlin. „Dieser Umstand ermöglicht einen dramatisch effizienteren Entklebungsmechanismus, der beim biobasierten Typ die Klebkraft um 99 % reduziert.“ Die Ursache für die schlechtere Abschaltung (60 %) des fossilen Klebstoffes liegt in der Kompensation, da hydrophobe Polymere wie in Uhu auch sehr gute Klebstoffe darstellen.

Längerfristig arbeitet das Konsortium daran, die chemische Oxidation durch eine direkte elektrochemische Oxidation zu ersetzen, was beispielsweise für die Reparatur von Mobiltelefonen interessant sein könnte.

Beteiligt an der Forschung waren neben Börner und Kannan Balasubramanian sowie dem Team von der Humboldt-Universität zu Berlin auch das Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften (ISAS, Berlin), die Universidad Nacional de General San Martín (Buenos Aires), das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (Potsdam-Golm) sowie die Firma Henkel (Düsseldorf)

Gewebekleber nach Naturvorbild

Haftkraft von Muscheln kann Herzen flicken

Originalpublikation: Dr. Tilmann J. Neubert, Keven Walter, Carolin Schröter, Dr. Victoria Guglielmotti, PD Dr. Karsten Hinrichs, Dr. Stefan Reinicke, Dr. Andreas Taden, Prof. Dr. Kannan Balasubramanian, Prof. Dr. Hans G. Börner: Redox-gesteuertes Entkleben von Muschel-inspirierten Haftklebstoffen: Effizienzsteigerung durch funktionales Design, Angewandte Chemie, First published: 27 July 2024, DOI: 10.1002/ange.202408441

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