Haben Sie jemals eine Flasche Körperlotion geöffnet, nur um eine wässrige Flüssigkeit anstelle einer dicken Creme vorzufinden, oder bemerkt, dass sich Haargel nach einiger Zeit anders verhält als im Neuzustand? Die Ursache für diese frustrierenden Phänomene liegt oft in einem verborgenen Phänomen, das als mechanisches Gedächtnis von Materialien bekannt ist. Weiche Materialien wie Gele, Cremes und sogar einige Baumaterialien besitzen nämlich die überraschende Fähigkeit, sich an die Prozesse zu "erinnern", die sie während der Herstellung durchlaufen haben. Dieses "Gedächtnis", das sich als verbleibende innere Spannung manifestiert, kann weitaus länger bestehen als bisher angenommen, was erhebliche Auswirkungen auf die Stabilität, Haltbarkeit und Vorhersagbarkeit unzähliger Produkte hat, die wir täglich verwenden.

Eine revolutionäre Forschung, die am Massachusetts Institute of Technology (MIT) durchgeführt wurde, wirft ein völlig neues Licht auf diese Problematik. Die Ingenieurin Crystal Owens entwickelte eine innovative, aber überraschend einfache Methode zur Messung des Grades der Restspannung in weichen Materialien. Ihre Ergebnisse, die in der renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurden, zeigen, dass gängige Produkte wie Haargel oder Rasierschaum ihr mechanisches Gedächtnis und ihre inneren Spannungen wochen- und sogar monatelang beibehalten, was im völligen Gegensatz zu den bisherigen Annahmen in der Industrie steht, die diesen Zeitraum in Minuten maßen.

Das verborgene Leben der weichen glasartigen Materialien

Handlotionen, Haargele, Rasierschäume, aber auch Mayonnaise, Farben und viele pharmazeutische Produkte gehören zu einer faszinierenden Kategorie von Materialien, die als weiche glasartige Materialien bekannt sind. Diese Materialien sind einzigartige Hybride, die gleichzeitig Eigenschaften von Festkörpern und Flüssigkeiten aufweisen. Wie Owens erklärt, "alles, was man auf die Handfläche drücken kann und was einen weichen Hügel bildet, kann als weiches Glas betrachtet werden". In der Materialwissenschaft gelten sie als eine weichere Version von etwas, das eine amorphe, unstrukturierte molekulare Struktur hat, ähnlich wie Fensterglas. Sie können wie eine Flüssigkeit fließen, aber gleichzeitig ihre Form wie ein Festkörper beibehalten.

Gerade diese duale Natur macht sie äußerst nützlich, aber auch schwer zu verstehen. Nach der Herstellung existieren diese Materialien in einem empfindlichen Gleichgewicht. Der Herstellungsprozess, der fast immer eine Art intensives Mischen, Kneten oder Scheren beinhaltet, führt dem Material Energie zu. Obwohl es scheint, dass sich das Material nach dem Mischen "beruhigt" und stabil wird, bleiben in seiner Struktur innere Spannungen eingeschlossen. Diese Restspannungen stellen eine Art Abdruck oder "Erinnerung" an die Kräfte dar, denen es ausgesetzt war. Mit der Zeit kann das Material diesen verborgenen Kräften nachgeben und versuchen, in seinen früheren, instabileren Zustand zurückzukehren, was zu Phasentrennung, einer Änderung der Viskosität oder einem vollständigen Funktionsverlust führt.

Revolutionäre Methode zur Messung des "Gedächtnisses"

Die Standardpraxis in Branchen wie der Kosmetik- oder Lebensmittelindustrie besteht darin, eine Produktprobe nach dem Mischen etwa eine Minute ruhen zu lassen. Die Hersteller gingen bisher davon aus, dass diese Zeit ausreicht, damit sich alle Restspannungen aus dem Herstellungsprozess abbauen und das Material einen stabilen, endgültigen Zustand erreicht. Die Forschung von Crystal Owens beweist jedoch, dass diese Annahme falsch war.

Unter Verwendung eines Standard-Laborinstruments, das als Rheometer bekannt ist, entwickelte Owens ein neues Protokoll zur präzisen Messung dieser langanhaltenden Spannungen. Ein Rheometer besteht aus zwei Platten, zwischen die eine Materialprobe gelegt wird. Durch Drehen und Drücken der Platten auf streng kontrollierte Weise kann das Instrument den inneren Widerstand des Materials, d. h. seine Spannungen und Verformungen, messen. In ihren Experimenten legte Owens Proben von Haargel und Rasierschaum in das Rheometer, mischte sie, um einen industriellen Prozess zu simulieren, und ließ sie dann wesentlich länger als die üblichen 60 Sekunden ruhen. Während dieser langen Ruhezeit maß sie kontinuierlich die winzige Kraft, die das Instrument aufwenden musste, um das Material vollständig unbeweglich zu halten. Diese Kraft ist ein direkter Indikator für die Größe der inneren Spannung, die versucht, das Material in seinen vorherigen Zustand "zurückzudrängen".

Die Ergebnisse waren verblüffend. Die Materialien behielten nicht nur tagelang nach dem Mischen ein signifikantes Maß an Restspannung bei, sondern diese Spannung war auch gerichtet. Mit anderen Worten, das Material "erinnerte" sich an die Richtung, in die es gemischt worden war. Wenn diese Spannung freigesetzt würde, würde sich das Gel in die entgegengesetzte Richtung des ursprünglichen Mischens zu verformen beginnen. "Das Material kann sich effektiv daran erinnern, in welche Richtung es gemischt wurde und vor wie langer Zeit", betont Owens. "Es hat sich herausgestellt, dass sie dieses Gedächtnis an ihre Vergangenheit viel, viel länger behalten, als wir dachten."

Von stabileren Cremes zu langlebigeren Straßen

Diese Entdeckung hat enorme Auswirkungen. Sie ist einer der Hauptgründe, warum sich verschiedene Chargen desselben Produkts, die nach einem scheinbar "identischen" Verfahren hergestellt wurden, völlig unterschiedlich verhalten können. Minimale Abweichungen in der Geschwindigkeit, Dauer oder Richtung des Mischens können zu unterschiedlichen Niveaus der Restspannung führen, was zu einer inkonsistenten Qualität und Haltbarkeit des Produkts im Regal führt. Das Verständnis und die Messung dieser verborgenen Spannungen während der Produktion könnten es den Herstellern ermöglichen, ihre Prozesse zu optimieren und Produkte zu entwickeln, die wesentlich stabiler und langlebiger sind.

Zusätzlich zum Messprotokoll hat Owens auch ein mathematisches Modell entwickelt, das vorhersagen kann, wie sich ein Material im Laufe der Zeit auf der Grundlage des gemessenen Niveaus der Restspannung verändern wird. Mit diesem Modell könnten Wissenschaftler gezielt Materialien mit "Kurzzeitgedächtnis" oder sehr geringer Restspannung entwerfen und so ihre langfristige Stabilität sicherstellen. Dies öffnet die Tür zu Innovationen in zahlreichen Sektoren.

Einer der vielversprechendsten Anwendungsbereiche ist die Bauindustrie, insbesondere die Herstellung von Asphalt. Asphalt ist ein Material, das zuerst heiß gemischt, dann gegossen und schließlich auf der Straße abkühlt und aushärtet. Owens vermutet, dass Restspannungen aus dem Mischprozess von Zuschlagstoffen und Bindemitteln im Laufe der Zeit erheblich zur Bildung von Rissen im Straßenbelag beitragen. Wenn der Asphalt abkühlt und später täglichen und saisonalen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, können diese inneren Spannungen zum Auftreten von Mikrorissen führen, die sich mit der Zeit ausbreiten und zu einem ernsthaften Problem werden. Durch die Reduzierung oder Kontrolle dieser anfänglichen Spannungen in der Produktionsphase könnten wir wesentlich widerstandsfähigere und langlebigere Straßen erhalten.

"Ständig werden neue Arten von Asphalt mit dem Ziel einer größeren Umweltfreundlichkeit erfunden, und jede dieser neuen Mischungen wird unterschiedliche Niveaus an Restspannung aufweisen, die kontrolliert werden müssen", sagt Owens. Die potenziellen Anwendungen reichen noch weiter, von der Optimierung von Druckpasten für den 3D-Druck und der Entwicklung stabilerer pharmazeutischer Salben bis hin zur Verbesserung der Textur und Haltbarkeit von Lebensmitteln wie Joghurt oder Schokoladenaufstrichen. Das Verständnis des mechanischen Gedächtnisses erschließt eine neue Ebene der Kontrolle über die Welt der Materialien, die uns umgeben.