SPP 1568:  Design and Generic Principles of Self-Healing Materials

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Bauwesen und Architektur ; Chemie ; Informatik, System- und Elektrotechnik ; Maschinenbau und Produktionstechnik ; Medizin ; Physik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 172542336

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

2011 war das Schwerpunktprogramm SPP 1568 „Design and Generic Principles of Self-healing Materials" mit dem Ziel gestartet, dass durch dieses koordinierte Programm in Deutschland die verschiedenen Gruppen, welche im Feld selbstheilende Materialien aktiv sind, zusammenfinden und auch der „Rückstand“ der Forschung in diesem Gebiet z.B. auf andere europäische Länder (insbesondere die Niederlande) aufgeholt werden kann. Jetzt, nach zwei Förderphasen und etwas über 8 Jahren, lässt sich feststellen, dass sich die beteiligten Wissenschaftler sehr gut in diesem Forschungsfeld etablieren konnten. Im Rahmen des SPPs sollte materialübergreifend das gezielte Design und die zugrundeliegenden Mechanismen erforscht werden. Nach einer noch stark von Polymeren geprägten ersten Förderphase konnten in der 2. Runde des SPPs verschiedene Materialklassen untersucht werden. Es konnten in den Forschungsarbeiten viele Mechanismen verschiedenster Materialien aufgeklärt werden und es wurde somit das gezielte Design von selbstheilenden Materialien möglich. Verschiedene Charakterisierungsmethoden konnten materialübergreifend etabliert werden. Neben den wissenschaftlichen Publikationen konnte auch durch Bücher über selbstheilende Materialien, Sonderausgaben und insbesondere durch die ICSHM 2017 in Friedrichshafen eine sehr gute internationale Sichtbarkeit erreicht werden. Internationale Kooperationen wurden insbesondere mit dem niederländischen IOP Programm geschlossen. Ein wichtiges Resultat des SPPs geht darüber hinaus. In diesem Programm ist eine neue Generation an jungen Wissenschaftlern (von Bachelor- und Masterstudenten über Doktoranden bis zu PostDocs) herangewachsen, die von Beginn an die materialübergreifende interdisziplinäre Zusammenarbeit gewöhnt war. Sie konnten von diesem Umfeld und seiner großen Materialbreite (Polymere, Zement, Keramiken, Metalle, funktionale Materialien) sowie den vorhandenen Kompetenzen (von Biologen, über Chemikern und Materialwissenschaftlern zu Theoretikern, Ingenieuren, usw.) besonders profitieren. Obwohl erste Anknüpfungspunkte für einen Transfer in die Industrie geknüpft werden konnten, wären weitere Folgeprojekte mit der Industrie wünschenswert gewesen. Hierbei ist allerdings anzumerken, dass es im Bereich von selbstheilenden Materialien noch eine große Lücke zwischen Wissenschaft und Forschung gibt. Weiterhin sind die Industrieunternehmen in diesem Zusammenhang oftmals sehr konservativ.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Self-healing in Plants as a Model for Self-repairing Elastomer Materials. Intern. Polym. Sci. Technol. 2011, 38, 1-4
  A. Nellesen, M. v. Tapavicza, J. Bertling, A. M. Schmidt, G. Bauer, T. Speck
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1177/0307174X1103800901)
• Structure and Dynamics of Polymer Rings by Neutron Scattering: Breakdown of the Rouse Model. Soft Matter 2011, 7, 11169-11176
  A. R. Brás, R. Pasquino, T. Koukoulas, G. Tsolou, O. Holderer, A. Radulescu, J. Allgaier, V. G. Mavrantzas, W. Pyckhout-Hintzen, A. Wischnewski, D. Vlassopoulos, D. Richter
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C1SM06257C)
• A New Versatile Synthesis of 4-Substituted Diaminopyridine Derivatives. Tetrahedron Lett. 2012, 53, 2236-2238
  S. Banerjee, B. Voit, G. Heinrich, F. Böhme
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.tetlet.2012.02.089)
• Generic Principles of Crack-healing Ceramics. J. Adv. Ceram. 2012, 1, 249-267
  P. Greil
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s40145-012-0020-2)
• Hierarchically Nanostructured Polyisobutylene-Based Ionic Liquids. Macromolecules 2012, 45, 2074-2084
  P. Zare, A. Stojanovic, F. Herbst, J. Akbarzadeh, H. Peterlik, W. H. Binder
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/ma202736g)
• Low-Temperature Cu(I)-Catalyzed "Click" Reactions for Self-Healing Polymers. Macromol. Chem. Phys. 2012, 213, 205-214
  M. Schunack, M. Gragert, D. Döhler, P. Michael, W. H. Binder
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/macp.201100377)
• Modeling of Healing Processes in a Polymer Matrix. Proc. Appl. Math. Mech. 2012, 12, 357-358
  S. Specht, J. Bluhm, J. Schröde
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pamm.201210167)
• Synthesis of Ti2SnC MAX Phase by Mechanical Activation and Melt Infiltration. Adv. Eng. Mater. 2012, 14, 85-91
  Y. J. Kang, T. Fey, P. Greil
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.201100186)
• Molecular Approach to Supramolecular Polymer Assembly by Small Angle Neutron Scattering Macromolecules 2013, 46, 9446-9454
  A. R. Brás, C. Hövelmann, W. Antonius, J. Teixeira, A. Radulescu, J. Allgaier, W. Pyckhout- Hintzen, A. Wischnewski, D. Richter
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/ma401714r)
• One-component Intrinsic Self-healing Coatings Based on Reversible Crosslinking by Diels- Alder Cycloadditions. Macromol. Chem. Phys. 2013, 214, 1636-1649
  J. Kötteritzsch, S. Stumpf, S. Hoeppener, J. Vitz, M. D. Hager, U. S. Schubert
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/macp.201200712)
• Redox Responsive Release of Hydrophobic Self-Healing Agents from Polyaniline Capsules. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 14918-14205
  L. P. Lv, Y. Zhao, N. Vilbrandt, M. Gallei, A. Vimalanandan, M. Rohwerder, K. Landfester, D. Crespy
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/ja405279t)
• Redox-responsive Self-healing for Corrosion Protection. Adv. Mater. 2013, 25, 6980-6984
  A. Vimalanandan, L. P. Lv, T. H.Tran, K. Landfester, D. Crespy, M. Rohwerder
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201302989)
• Redox-Responsive Self-Healing for Corrosion Protection. Adv. Mater. 2013, 25, 6980-6984
  A. Vimalanandan, L.P. Lv, T. H. Tran, K. Landfester, D. Crespy, M. Rohwerder
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201302989)
• Self-healing Metallopolymers based on Cadmium Bis(terpyridine) Complex Containing Polymer Networks. Polym. Chem. 2013, 4, 4966-4973
  S. Bode, R. K. Bose, S. Matthes, M. Ehrhardt, A. Seifert, F. H. Schacher, R. M. Paulus, S. Stumpf, B. Sandmann, J. Vitz, A. Winter, S. Hoeppener, S. J. Garcia, S. Spange, S. van der Zwaag, M. D. Hager, U. S. Schubert
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C3PY00288H)
• Self-healing Polymer Coatings Based on Crosslinked Metallosupramolecular Copolymers. Adv. Mater. 2013, 25, 1634-1638
  S. Bode, L. Zedler, F. H. Schacher, B. Dietzek, M. Schmitt, J. Popp, M. D. Hager, U. S. Schubert
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201203865)
• Self-repair of a Biological Fiber Guided by an Ordered Elastic Framework. Biomacromolecules 2013, 14, 1520-1528
  S. Krauss, T. H. Metzger, P. Fratzl, M. J. Harrington
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/bm4001712)
• Thermoreversible Reactions on Inorganic Nanoparticle Surfaces: Diels-Alder Reactions on Sterically Crowded Surfaces. Chem. Mater. 2013, 25, 149-157
  T. Engel, G. Kickelbick
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/cm303049k)
• Monitoring the Chemistry of Self-healing by Vibrational Spectroscopy - Current State and Perspectives. Mater. Today 2014, 17, 57-69
  L. Zedler, M. D. Hager, U. S. Schubert, M. J. Harrington, M. Schmitt, J. Popp, B. Dietzek
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.mattod.2014.01.020)
• Self-healing Nanocomposites from Silica - Polymer Core-shell Nanoparticles. Polym. Inter. 2014, 63, 915-923
  T. Engel, G. Kickelbick
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pi.4642)
• Correlation Between Scratch Healing and Rheological Behaviour for Terpyridine Complex based Metallopolymers. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 22145-22153
  S. Bode, M. Enke, R. K. Bose, F. H. Schacher, S. J. Garcia, S. van der Zwaag, M. D. Hager, U. S. Schubert
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C5TA05545H)
• Correlation Between Scratch Healing and Rheological Behaviour for Terpyridine Complex based Metallopolymers. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 22145-22153
  S. Bode, M. Enke, R. K. Bose, F. H. Schacher, S. J. Garcia, S. van der Zwaag, M. D. Hager, U. S. Schubert
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C5TA05545H)
• Ionic Modification Turns Commercial Rubber into a Self-Healing Material. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 20623-20630
  A. Das, A. Sallat, F. Böhme, M. Suckow, D. Basu, S. Wießner, K. W. Stöckelhuber, B. Voit, G. Heinrich
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acsami.5b05041)
• Metal Dependent Self-healing Response in Histidine-rich Supramolecular Polymers. Polymer 2015, 69, 274-282
  M. Enke, S. Bode, J. Vitz, F. H. Schacher, M. J. Harrington, M. D. Hager, U. S. Schubert
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.polymer.2015.03.068)
• Modeling of Self-healing Effects in Polymeric Composites. Archive of Applied Mechanics 2015, 85, 1469-1481
  J. Bluhm, S. Specht, J. Schröder
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00419-014-0946-7)
• Regenerative Nano-Hybrid Coating Tailored for Autonomous Corrosion Protection. Adv. Mater. 2015, 27, 3825-3830
  T. H. Tran, A. Vimalanandan, G. Genchev, J. Fickert, K. Landfester, D. Crespy, M. Rohwerder
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201501044)
• Self-healing Dynamic Bond-based Rubbers: Understanding the Mechanisms in Ionomeric Elastomer Model Systems. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 21005-21017
  N. Hohlbein, A. Shaaban, A. R. Bras, W. Pyckhout-Hintzen, A. M. Schmidt
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C5CP00620A)
• Tuning the Self-healing Behavior of One-component Intrinsic Polymers. Polymer 2015, 69, 321-329
  J. Kötteritzsch, M. D. Hager, U. S. Schubert
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.polymer.2015.03.027)
• A Metal Salt Dependent Self-healing Response in Supramolecular Block Copolymers. Macromolecules 2016, 49, 8418-8429
  M. Enke, R. K. Bose, S. Bode, J. Vitz, F. H. Schacher, S. J. Garcia, S. van der Zwaag, M. D. Hager, U. S. Schubert
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6b02108)
• Continuum Mechanical Description of an Extrinsic and Autonomous Self-Healing Material Based on the Theory of Porous Media. Adv. Polym. Sci. 2016, 273, 143-184
  S. Specht, J. Bluhm, J. Schröder
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/12_2015_338)
• Reducing the Erosive Wear Rate of Cr2AlC MAX Phase Ceramic by Oxidative Healing of Local Impact Damage. Wear 2016, 1-6, 358-359
  L. Shen, D. Eichner, S. van der Zwaag, C. Leyens, W. G. Sloof
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.03.019)
• Self-Healing Metals. Adv. Polym. Sci. 2016, 273, 387-407
  B. Grabowski, C. C. Tasan
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/12_2015_337)
• Thermally Triggered Optical Tuning of π-Conjugated Graft Copolymers Based on Reversible Diels–Alder Reaction. RSC Adv. 2016, 6, 98221-98227
  J. Ahner, M. Micheel, J. Kötteritzsch, B. Dietzek, M. D. Hager
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C6RA21536J)
• Evolution of Microphase Separation with Variations of Segments of Sequence-Controlled Multiblock Copolymers. Macromolecules 2017, 50, 7380-7387
  J. Zhang, R. Deubler, M. Hartlieb, L. Martin, J. Tanaka, E. Patyukova, P. D. Topham, F. H. Schacher, S. Perrier
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.macromol.7b01831)
• Histidine–zinc Interactions Investigated by Isothermal Titration Calorimetry (ITC) and Their Application in Self-healing Polymers. Macromol. Chem. Phys. 2017, 218, 1600458
  M. Enke, F. Jehle, S. Bode, J. Vitz, M. J. Harrington, M. D. Hager, U. S. Schubert
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/macp.201600458)
• Self-healing Functional Polymers: Optical Property Recovery of Conjugated Polymer Films by Uncatalyzed Imine Metathesis. Macromolecules 2017, 50, 3789-3795
  J. Ahner, M. Micheel, R. Geitner, M. Schmitt, J. Popp, B. Dietzek, M. D. Hager
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6b02766)
• Supramolecular Interactions Opposing Phase-Segregation and Hydrogen-Bonding Forces in Supramolecular Polymers. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13016-13020
  S. Chen, T. Yan, M. Fischer, A. Mordvinkin, K. Saalwächter, T. Thurn-Albrecht, W. H. Binder
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201707363)
• Identifying the Role of Primary and Secondary Interactions on the Mechanical Properties and Healing of Densely Branched Polyimides. Macromolecules 2018, 51, 8333-8345
  A. Susa, A. Mordvinkin, K. Saalwächter, S. van der Zwaag, S. J. Garcia
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.macromol.8b01396)
• Impact of Asymmetric Martensite and Austenite Nucleation and Growth Behavior on the Phase Stability and Hysteresis of Freestanding Shape-memory Nanoparticles. Phys. Rev. Mater. 2018, 2, 030601(R)
  W.-S. Ko, B. Grabowski, J. Neugebauer
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.030601)
• Mechanical Properties of Biocompatible Apatite Bone Cement Reinforced with Chemically Activated Carbon Fibers. Materials 2018, 11, E192
  A. V. Boehm, S. Meininger, A. Tesch, U. Gbureck, F. A. Müller
  (Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ma11020192)
• Nb2AlC-particle Induced Accelerated Crack Healing in ZrO2–matrix Composites. Ceram. Int. 2018, 44, 19352-19361
  M. Stumpf, T. Fey, K. Kakimoto, P. Greil
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.07.164)
• Viscoelastic and Self-healing Behavior of Silica Filled Ionically Modified Poly(isobutylene-coisoprene) Rubber. RSC Adv. 2018, 8, 26793-26803
  A. Sallat, A. Das, J. Schaber, U. Scheler, E. S. Bhagavatheswaran, K. W. Stöckelhuber, G. Heinrich, B. Voit, F. Böhme
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c8ra04631j)
• Autonomous Supramolecular Interface Self-Healing Monitored by Restoration of UV/Vis Absorption Spectra of Self-Assembled Thiazole Layers. Chemistry 2019, 25, 8630-8634
  M. L. Hupfer, F. Herrmann-Westendorf, M. Kaufmann, D. Weiss, R. Beckert, B. Dietzek, M. Presselt
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/chem.201901549)
• Enhancing the Supramolecular Stability of Monolayers by Combining Dipolar with Amphiphilic Motifs: a Case of Amphiphilic Push-pull-thiazole. Phys. Chem. Phys. Chem. 2019, 21, 13241-13247
  M. L. Hupfer, M. Kaufmann, S. May, J. Preiss, D. Weiss, B. Dietzek, R. Beckert, M. Presselt
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C9CP02013F)
• Hierarchical Sticker and Sticky Chain Dynamics in Self-Healing Butyl Rubber Ionomers. Macromolecules 2019, 52, 4169−4184
  A. Mordvinkin, M. Suckow, F. Böhme, R. H. Colby, C. Creton, K. Saalwächter
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.macromol.9b00159)
• Synthesis of Polymer-linked Copper(I) Bis(N-heterocyclic Carbene) Complexes of Linear and Chain Extended Architecture. Polym. Chem. 2019, 10, 1078-1088
  M. Biewend, S. Neumann, P. Michael, W. H. Binder
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C8PY01751D)
• Synthesis, Crystal Structure, Microstructure and Mechanical Properties of (Ti1-xZrx)3SiC2 MAX Phase Solid Solutions. Ceramics International 2019, 45, 1400-1408
  L. Qu, G. Bei, B. Stelzer, H. Rueß, J. M. Schneider, D. Cao, S. van der Zwaag, W. G. Sloof
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.10.030)
• Self-healing and Reprocessable Bromo Butylrubber Based on Combined Ionic Cluster Formation and Hydrogen Bonding. Polym. Chem., 2020, 11, 1188-1197
  S. Stein, A. Mordvinkin, B. Voit, H. Komber, K. Saalwächter, F. Böhme
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c9py01630a)
• Self-healing Capacity of Fiberreinforced Calcium Phosphate Cements. Sci. Reports 2020, 10, 9430
  A. V. Boehm, S. Meininger, U. Gbureck, F. A. Müller
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-020-66207-2)