Smarte Hydrogele

Smarte Hydrogele (engl. smart oder stimuli-responsive hydrogels) sind Polymere, deren Moleküle chemisch oder physikalisch zu einem dreidimensionalen Netzwerk verknüpft sind. In Gegenwart eines günstigen Lösungsmittels quillt ein solches Netzwerk, indem es dieses aufnimmt. Man bezeichnet das gequollene Netzwerk dann auch als Gel, und sofern Wasser das Quellmittel ist, als Hydrogel. Da die Gele bei einer Expansion bzw. Kontraktion zum Teil erhebliche Kräfte entwickeln, sind sie in der Lage, mechanische Arbeit zu verrichten. Ein smartes Verhalten weisen nur ausgewählte Polymernetzwerke auf. Diese besitzen die Fähigkeit, unter bestimmten Voraussetzungen selektiv auf Gradienten physikalischer Umgebungsgrößen mit ausgeprägten Volumenänderungen zu reagieren. Sensitivitäten sind insbesondere gegenüber Temperatur, pH-Wert, Ionen- oder Stoffkonzentrationen erzielbar.

Die Empfindlichkeit gegenüber diesen Einflüssen wird in der Regel durch im Netzwerk verankerte Ionen hervorgerufen, die durch eine Mischung aus chemischen, elektrischen und mechanischen Wechselwirkungseffekten Differenzen in den Ionenkonzentrationen innerhalb und außerhalb des Gels hervorrufen. Dadurch wird das Wasser durch Osmose ins oder aus dem Gel gedrängt und eine sich ändernde Dehnung des Gels ausgelöst. Im Gegenzug kann durch eine mechanische Verformung bei gleich bleibenden Randbedingungen eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten des Gels erzeugt werden, wodurch die Verformung gemessen und quantitativ erfasst werden kann. Smarte Hydrogele besitzen somit integrierte Aktor-Sensor-Funktionen, d. h., sie vereinen Sensoren und Aktoren in einem einzigen Element.[1] Dies wird zum Beispiel in Chemostaten ausgenutzt.

Von smarten Hydrogelen werden beträchtliche Impulse für die chemische Sensorik, Mikrosystemtechnik und Mikrofluidik, Regelungstechnik sowie Medizintechnik erwartet.

Manchmal werden smarte Hydrogele auch als chemomechanische Aktoren bezeichnet.

Einzelnachweise

  1. Ballhause und Wallmersperger: Coupled chemo-electro-mechanical finite element simulation of hydrogels: I. Chemical stimulation

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