Selbstheilende Materialien können nach einem Schaden die ursprüngliche Funktion des Materials (teilweise) wiederherstellen. Für verschiedene Materialklassen wurden unterschiedliche Heilungsmechanismen untersucht. Besonders im Bereich der Polymere wurde eine Anzahl vielversprechender Konzepte entwickelt.

Bei der Entwicklung von neuen Materialien und Hochleistungswerkstoffen wurde bisher hauptsächlich das Prinzip der Schadensvermeidung angewendet. Die neuentwickelten Materialien wurden immer leistungsfähiger, wodurch diese immer stärker belastet werden können bevor ein Schaden auftritt [1]. Im Gegensatz dazu ist das Schadensmanagement, d.h. ein auftretender Schaden kann ausgeglichen werden, als Designprinzip bisher eher selten vertreten.

Bemerkenswert ist hierbei, dass bereits zu Zeiten der alten Römer teilweise Aquädukte oder andere Bauwerke mit Zement gebaut worden, welcher selbstheilende Eigenschaften aufweist, wodurch kleinere Schäden langsam ausgeglichen werden können. Selbstheilende Materialien ermöglichen eine längere Nutzungszeit dieser speziellen Materialien. Daher sind diese besonders für Anwendungen interessant, bei denen kein Ausfall von Werkstoffen eintreten darf (Raumfahrt, Luftfahrt) oder bei denen nur ein sehr beschränkter Zugriff besteht, wodurch eine Reparatur nur sehr schwierig durchzuführen ist (z.B. Windräder, Ölplattformen). Weiterhin sind Nutzung von Materialien, welche eine hohe Oberfläche aufweisen und damit leicht geschädigt werden können (z.B. Lacke), interessante Anwendungsgebiete.

Grundlegendes Prinzip der selbstheilenden Materialien und Basismechanismen der Selbstheilungsprozesse

Die Selbstheilungsprozesse in den verschiedensten Materialien folgen im Allgemeinem einem grundlegenden Prinzip (Abb.1) [22] Nach einer Schädigung des Materials wird der Selbstheilungsprozess entweder direkt durch den Schaden selbst oder durch eine äußere Einflussnahme (z.B. Wärme, Licht,...) gestartet. Der mechanische Schaden (Kratzer, Riss) kann nur dann geheilt werden, wenn eine mobile Phase entsteht, welche eine ausreichende Beweglichkeit aufweist, um den Schaden wieder zu verschließen („Fließen").

Im Folgenden wird der Riss wieder verschlossen.

Die mobile Phase sorgt weiterhin für eine effektive Verbindung der beiden Rissebenen. Allerdings muss zum (teilweisen) Erreichen der mechanischen Ausgangseigenschaften nach dem Selbstheilungsprozess die mobile Phase wieder immobilisiert werden. Dies kann wiederum durch einen weiteren Trigger erreicht werden bzw. die beim Selbstheilungsprozess ablaufenden Reaktionen führen zu einer immobilisierten Phase. In verschiedenen Materialklassen wurden zahlreiche Mechanismen zur Selbstheilung, d.h. zur Erzeugung der notwendigen mobilen Phase untersucht (Tab. 1).

Durch die Einkapselung von Heilungsreagentien (Abb. 2) kann eine Selbstheilung erreicht werden. Ein Schaden führt zum Aufbrechen der Kapseln, welche daraufhin ihren Inhalt freisetzen, welcher die mobile Phase darstellt. Diese verschließt anschließend den Schaden. Die Einkapselung ist ein universeller Ansatz und wurde bereits für viele Materialklassen erfolgreich angewandt. Vorteilhaft ist, dass im Prinzip fast alle Materialien hierdurch die Fähigkeit zur Selbstheilung erlangen können. Allerdings kann ein Schaden an einer Stelle nur einmalig geheilt werden. Wiederholte Schädigungen an der gleichen Stelle können nicht wieder ausgeglichen werden, da alle Kapseln bereits ihren Inhalt freigesetzt haben. Dieses Problem kann durch die Einlagerung von Kanälen, Netzwerken von Kapillaren umgangen werden. Hierdurch wird der Stofftransport zur Schadenstelle ermöglicht. Aber dieses Verfahren erfordert einen wesentlich höheren Aufwand. Weiterhin kann durch Temperaturerhöhung ein Heilungsprozess induziert werden. Hierbei weisen die verschiedenen Materialklassen unterschiedliche Temperaturbereiche auf, in welchen Selbstheilungsprozesse ablaufen können. Polymere lassen sich bereits bei relativ niedrigen Temperaturen (< 150 oC) heilen. Im Gegensatz dazu erfordern Keramiken und Metalle wesentlich höhere Temperaturen (> 700-800 oC).

In gewöhnlichen Materialien werden bei einer Schädigung kovalente Bindungen aufgebrochen. Diese sind allerdings hierdurch unwiederbringlich zerstört. Der Einsatz von reversiblen Bindungen in Materialien gestattet den Ablauf von Selbstheilungsprozessen. Nach einem Schaden können diese sich wieder verbinden bzw. die reversiblen Bindungen werden gezielt aufgebrochen und verbinden sich wieder, wodurch Risse geschlossen werden können.

Natürliche Materialen weisen oftmals die Fähigkeit zur Selbstheilung auf - beispielsweise das Heilen von einem Schnitt im Finger. Daher ist es naheliegend, dass auch natürliche Prozesse für die Selbstheilung in künstlichen Materialien getestet wurden, beispielsweise die Heilung durch Bakterien in Beton.