Materialwissenschaften Hightech im Laufschuh – Ohne Analytik keine Sportschuh-Entwicklung

Zugegeben – den untrainiertesten Läufer macht auch ein Hightech-Laufschuh nicht im Handumdrehen schnell und fit. Dennoch ist ein Sportschuh ein ausgeklügelter Mix aus unterschiedlichen Materialien und Komponenten, fein abgestimmt auf seine Funktion. Eine wahre Spielwiese für die Materialwissenschaften und die notwendige Analysentechnik.

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Jeden Tag lacht mich mein Sportschuh in der Garderobe an und gibt mir zu verstehen: „Komm, lauf mit mir, ich bin bequem, luftgepolstert, wasserdicht und trage dich über Stock und Stein, auch heiße Asphaltstraßen lassen meine Sohle kalt“ – ein „Hightech-Qualitätsprodukt“ eben. Unglaublich, ein Gegenstand aus dem täglichen Leben mit einer Vielzahl an ausgeklügelten Eigenschaften, genau abgestimmt auf den Verwendungszweck. Eingesetzte Materialien und deren Verarbeitung werden auf diesen genau spezifizierten Verwendungszweck hin entwickelt und optimiert. Hier stellt sich die Frage, in welchem Zusammenhang der Sportschuh nun mit dem Forschungsgebiet der Materialwissenschaften steht.

Materialwissenschaften stellen per Definition eine interdisziplinäre Wissenschaft dar, die ihren Fokus auf der Herstellung von Materialien und deren Charakterisierung hat. In weiterer Folge fließt in dieses interdisziplinäre Gebiet auch die Werkstoffentwicklung mit ein sowie die Untersuchung des Material- und Werkstoffverhaltens im realen Einsatz. Der interdisziplinäre Ansatz der Materialwissenschaften erstreckt sich über eine breite Palette von Materialklassen wie Keramik, Polymere, Halbleiter oder magnetische Materialien. Aufgrund ihrer Interdisziplinarität erweitert sich dieses Gebiet ständig und so haben in den letzten Jahren neben den klassischen naturwissenschaftlichen Gebieten wie Physik, Chemie und Ingenieurwissenschaften, auch die Biowissenschaften Einzug gehalten, z.B. zur Entwicklung biokompatibler Materialien.

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Um Materialien jeglicher Art zu verbessern, zu modifizieren oder komplett neue zu entwickeln, müssen eben diese aus vielen unterschiedlichen Gesichtspunkten analysiert und charakterisiert werden. Dabei spielen auch der Einsatzort, die Einsatzdauer, diverse Umwelteinflüsse etc. eine wichtige Rolle, da diese die Eigenschaften der Materialien beeinflussen.

Sportschuh: Mix aus vielen Materialien & Komponenten

Zurück zum Beispiel Sportschuh. Ein Sportschuh ist ein Mix aus vielen unterschiedlichen Materialien und Komponenten, die durch die jeweilige beste Abstimmung aufeinander und ihren funktionsoptimierten Einsatz zu einem Hightech-Alltagsprodukt werden. Seziert man den Sportschuh in seine Bestandteile, so findet man primär unterschiedliche synthetische Materialien von Nylon, PVC, Hartgummi über synthetische Fasern bis hin zu Leder oder Metallkomponenten. Jedes einzelne Material bringt bestens definierte und auf den jeweiligen Einsatz abgestimmte Eigenschaften mit. So muss die Sohle u.a. Abriebfestigkeit, Temperatur-, Druck- und Wasserbeständigkeit aufweisen, um bei der Belastung durch Gehen und Laufen nicht nach kurzer Zeit kaputt zu gehen.

Die Polsterung und die Mittelsohle im Schichtaufbau der gesamten Sohle hingegen müssen flexibel sein, eine bestimmte Weichheit aufweisen und sollen auch ein geringes Gewicht haben. Die Polsterung selbst, die oft mit Gelen gefüllt ist, muss schockabsorbierende sowie thixotrope Eigenschaften mitbringen, um bei Belastung und Entlastung immer wieder in ihren Ursprungszustand zurückzukehren. Die Fersenkappe, ebenfalls aus synthetischen Materialien wie Nylon oder PVC, soll jedoch formstabil bleiben und eine gewisse Festigkeit aufweisen, trotzdem aber genügend Flexibilität besitzen, um angenehm am Fuß zu sitzen. Das scheint im ersten Augenblick ein Widerspruch zu sein, aber durch genau entwickelte strukturelle Materialeigenschaften können die physikalischen, von uns äußerlich wahrgenommenen Eigenschaften, dorthin entwickelt werden.

Betrachtet man den Oberschuh, so sind dort für den Konsumenten andere Eigenschaften wichtig. So soll der Sportschuh u.a. atmungsaktiv, trotzdem aber wasserdicht, dehnbar und reißfest sein. Zur modischen Gestaltung erhält der Oberschuh auch eine unterschiedliche Farbgebung. Dabei müssen die verwendeten Farben bestimmte Eigenschaften mitbringen, z.B. UV-Beständigkeit, gute Haftung am jeweiligen Material und gute Misch- und Löslichkeit in der Herstellung.

Die Innensohle und das Innenfutter sind jene Teile, die im direkten Kontakt mit dem menschlichen Fuß stehen. So haben die Innensohle und das Futter geruchs- und schweißabsobierende Eigenschaften und sollen auch feuchtigkeits- und luftdurchlässig sein. Dazu enthalten solche Materialien oft spezielle Nanopartikel, die diese Eigenschaften ermöglichen.

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