11. September 2026

Foto: Maria Weißpflog, Gloria Signorato, Birgit Hankiewicz, Volker Abetz (vlnr)

In den letzten Jahren hat sich die Arbeitsgruppe von Prof. Abetz intensiv mit dem Thema recycelbarer Netzwerksysteme, der sogenannten Vitrimere, befasst. Der Fokus liegt hierbei auf der Klasse der Vitrimere, die für ihre guten thermomechanischen Eigenschaften bekannt ist. Weiterhin wird besonderer Wert auf Nachhaltigkeit gelegt, insbesondere durch die Auswahl geeigneter biobasierter Rohstoffe wie Cellulose, Lignin, Kohlenhydrate und Alditolen. Die Gruppe von Dr. Hankiewicz beschäftigt sich dagegen mit der nachhaltigen Synthese magnetischer Nanopartikel und deren Einbettung in Polymermatrizen. Hierbei liegt ein Forschungsgebiet in der Anwendung magnetischer Nanopartikel in magnetischen Wechselfeldern, wobei Wärme durch Relaxationsprozesse und Hystereseverluste erzeugt wird, die dann die Matrix triggern können. Das diese beiden Themengebiete vereinende Projekt der magnetothermisch aktiven Vitrimere, das auf Basis der Vorarbeiten im Rahmen des SFB 986 „Maßgeschneiderte Multiskalige Materialsysteme - M3“ bearbeitet wurde, entstand im Zuge der Doktorarbeiten von Maria Weißpflog und Gloria Signorato. Dabei wurde die Polymermatrix auf ein Sorbitol-basiertes System umgestellt und vor allem die Oberflächenfunktionalisierung der magnetischen Partikel angepasst, sodass eine Integration der Partikel in das Netzwerk ermöglicht und die Heizleistung der Partikel auf maximalem Niveau eingestellt werden konnte.
Grundlegend zielte die vorliegende Studie darauf ab, magnetische Nanopartikel in eine dynamische Vitrimer-Matrix auf Sorbitol-Basis einzubauen, um ein recycelbares Material für die Robotik zu entwickeln, das sich durch magnetothermische Effekte sowohl aktivieren als auch selbst heilen kann.
Die Erwärmung der magnetischen Nanopartikeln im Wechselfeld hängt von Néel- und Brown’scher Relaxation ab, wobei vor allem Partikelgröße und -form sowie die Viskosität des Mediums eine Rolle spielen. Die optimale Partikelgröße für eine hohe Heizleistung wurde mittels größenselektiver Synthese eingestellt. Hierfür kam acetoacetyliertes Sorbitol zum Einsatz, das zwei Funktionen erfüllte: Zum einen beeinflusste dieses Monomer die Partikelgröße, -größenverteilung und -form je nach Menge. Zum anderen wurde durch diesen Zusatz die Stabilität der resultierenden magnetischen Fluide verbessert.

In einem weiteren Schritt konnte das sorbitolbasierte Monomer durch Kombination mit Jeffamine T403 als Aminkomponente für die Vitrimerproduktion genutzt werden. Aufgrund der Glasübergangstemperatur, die nahe der Raumtemperatur liegt, kann das Vitrimer unter Verwendung von flüssigem Stickstoff beispielsweise in eine gebogene, neue makroskopische Form eingefroren und beim Erreichen der Glasübergangstemperatur wieder seine ursprüngliche makroskopische Form annehmen. Das magnetische Nanokomposit wurde in vergleichbarer Weise hergestellt, indem 5 wt% Partikel zu den Netzwerkbausteinen hinzugefügt wurden. Im Vergleich zum Vitrimer zeigt das Nanokomposit bei Anregung im magnetischen Wechselfeld ein schnelleres Formgedächtnis-Verhalten: Die Temperatur des Komposits steigt bis auf etwa 112 °C in den ersten 30 Sekunden und ermöglicht damit eine dreimal schnellere Bildung der makroskopischen Ursprungsform im Vergleich zum reinen Aufheizen bei Raumtemperatur (Abbildung rechts). Zeitgleich können Defekte und Schnitte im Material repariert werden, die andernfalls in einer Heizpresse durchgeführt werden müssten (Abbildung links). Die Recyclingfähigkeit des Materials wurde ebenfalls untersucht, wobei die magnetischen Nanopartikel und die Polymermatrix getrennt voneinander wiedergewonnen und das Polymernetzwerk wiederaufgebaut wurden. Insgesamt ermöglicht dieser Ansatz, dass interne Temperaturimpulse über die magnetischen Partikel Selbstheilung und Aktuation unterstützen - insbesondere ausgehend von extremen Bedingungen unterhalb der Glasübergangstemperatur (wie hier gezeigt bei -196 °C).

Original-Publikation:
Maria Weißpflog, Gloria Signorato, Birgit Hankiewicz, Volker Abetz: Magnetothermal-Triggered Response and Self-Healing of Recyclable and Reprocessable Nanocomposites for Actuation Systems
Advanced Functional Materials 36, e75260 (28 pp) (2026)
doi/10.1002/adfm.75260