Kleines Bild: Je weniger Schlaufen (rot), also Verbindungen der Polymerketten mit sich selbst, bestehen, umso widerstandsfähiger ist das polymere Material. Indem die Forscher diesen Anteil reduzieren, verbessern sie die Eigenschaften des Materials. In Zukunft könnte die Technologie unter anderem für die Herstellung von Membranen für die Reinigung von Wasser eingesetzt werden. Abb.: MIT/RB by N.Schmitz/pixelio

Wer die Schleifen beherrscht, verstärkt das Material

Plastics in the Future

Werkstoffforschung: Um Kunststoffen bessere mechanische Eigenschaften zu verleihen, sind bereits zahlreiche Methoden bekannt. Neben Faserverstärkung, Bestrahlung und anderen Optionen kommt womöglich demnächst noch eine weitere in Betracht.

Kunststoffe, Gummi und viele andere nützliche­ Materialien bestehen aus Polymeren. Das sind lange Molekülketten, auch Makromoleküle genannt, die in einem vernetzten System angeordnet sind. Auf molekularer Ebene enthalten diese Polymernetze strukturelle Mängel, die sie schwächen.

Messung der Defekte

Vor einigen Jahren waren Forscher des MIT die Ersten, die bestimmte Arten dieser Defekte, sogenannte „Schleifen“, erkennen und messen konnten. Solche Schlaufen entstehen, wenn sich eine Kette im Polymernetzwerk an sich selbst statt an eine andere Kette bindet.

Nun haben die gleichen Wissenschaftler um Prof. Jeremiah A. Johnson einen einfachen Weg gefunden, die Anzahl der Schleifen in einem Polymernetzwerk zu reduzieren und damit Materialien zu stärken. Um dies zu erreichen, mischten die Forscher eine der Komponenten des Polymernetzwerks sehr langsam zu einer großen Menge der zweiten Komponente hinzu. Mit diesem Ansatz konnten sie die Anzahl der Schleifen halbieren.Daraus könnte sich eine einfache Möglichkeit für Hersteller von polymeren Materialien wie Kunststoffen oder Gelen zur Stärkung ihrer Materialien entwickeln.

Prof. Jeremiah A. Johnson Foto: MIT
Prof. Jeremiah A. Johnson Foto: MIT

„Wir wollen aus denselben Vorprodukten mit demselben Verfahren verbesserte Produkte erzeugen, nur durch Veränderung der Abläufe.“

Geschwindigkeit entscheidet

„Durch Verringerung der Mischungsgeschwindig­keit können die mechanischen Eigenschaften verbessert werden“, erklärt Prof. Johnson, der leitende Autor der zugrunde liegenden wissenschaftlichen Publikation. Im Jahr 2012 gelang es Johnsons Wissenschaftsteam erstmals, die Schleifen in einem  Polymernetzwerk zu zählen. Dabei fanden die Forscher heraus, dass die Schleifen etwa 9 % bis fast 100 % des Netzes ausmachen können, abhängig von der Konzentration der Polymerketten im Ausgangsmaterial und anderen Faktoren.

Ein paar Jahre später entwickelte Johnson gemeinsam mit dem MIT-Chemieprofessor Bradley Olsenund Olsen eine Methode, um die Schwächung eines Materials durch einen bestimmten Anteil an Scheifen zu berechnen. In ihrer aktuellen Arbeit haben sich die beiden Wissenschaftler bemüht, die Schleifenbildung zu reduzieren und dies zu erreichen, ohne die Zusammensetzung der Materialien zu verändern.

Gleiche Bedingungen – weniger Schleifen

„Das Ziel, das wir uns selbst gesetzt haben, war, dieselben Vorprodukte für ein Material zu verwenden, die man normalerweise verwenden würde, und unter Verwendung dieser exakt gleichen Ausgangsstoffe unter den gleichen Bedingungen und bei gleicher Konzentration ein Material mit weniger Schleifen zu erzeugen“, erläutert Johnson.

In ihrem aktuellen Projekt konzentrierten sich die Forscher zunächst auf eine Art von Polymerstruktur, die als sternförmige Polymernetzwerke bekannt ist. Diese Materialien haben zwei verschiedene Bausteine. Einer davon ist sternförmig mit vier identischen Armen, er wird „B4“ genannt. Der andere ist kettenförmig und wird als „A2“ bezeichnet. Jedes Molekül von A2 haftet am Ende eines der B4-Arme. Während eines typischen Syntheseprozesses, wenn also die Komponenten rasch zusammengemischt werden, enden einige der A2-Ketten an zwei der B4-Arme und bilden eine Schleife.

Langsamkeit siegt

Die Forscher fanden heraus, dass, wenn sie B4 sehr langsam zu einer Lösung von A2 hinzufügten, jeder der B4-Arme mit einem einzelnen Molekül von A2 reagieren würde, so dass es weniger Gelegenheit für A2 gab, Schleifen zu bilden.

Die Forscher mischten also zunächst die halbe vorgesehene Menge von B4 über Stunden mit A2. Anschließend fügten sie die zweite Hälfte der Mischung auf einen Schlag hinzu. Das Resultat war überzeugend. Die sternförmigen Untereinheiten bildeten zusammen ein vernetztes Netzwerk. Die Forscher stellten bei den Untersuchungen fest, dass das so entstandene Material nur etwa halb so viele Schleifen in seinem Polymernetzwerk aufwies wie das gleiche Material, das mit dem traditionellen Syntheseprozess erzeugt wurde.

Bis zu sechsmal stärker

Je nachdem, wie viele Loops im Originalmaterial waren, kann diese „Erst-langsam-dann-schnell“-Strategie die Stärke des Materials um bis zu 600 % verbessern, so Johnson.

Auch Kollegen aus der Wissenschaft zeigten sich von den Ergebnissen beeindruckt: „Dieser sehr einfache, geniale und wirkmächtige Ansatz, der auf einer langsamen Vernetzerzugabe basiert, vermindert die intramolekulare Zyklisierung und erhöht so die mechanischen Eigenschaften von polymeren Netzwerken erheblich“, sagt Krzysztof Matyjaszewski, Professor für Chemie an der Carnegie Mellon University.

Bessere Produkte

Die Forscher haben das Verfahren bereits an vier anderen Arten von Polymernetzwerk-Synthese­reaktionen ausprobiert.

Bisher waren sie dabei noch nicht in der Lage, die Anzahl der Schleifen für alle diese Arten von Polymeren zu messen, sie fanden jedoch starke Hinweise auf ähnliche Verbesserungen in der Festigkeit der Materialien. Der Ansatz könnte potenziell dazu beitragen, die Festigkeit eines Materials, sei es ein Gel oder ein anderes vernetzten Polymer zu verbessern. Solche Verbesserungen könnten dann Kunststoffen, Membranen für die Wasserreinigung, Klebstoffen aus Epoxy oder Hydrogelen wie Kontaktlinsen zugute kommen. Johnsons Labor arbeitet an der Anwendung dieser Strategie auf eine Vielzahl von Materialien, einschließlich Gelen, die verwendet werden, um Zellen für das Tissue Engineering, also die Herstellung künstlichen Gewebes, zu züchten.

Philipp Lubos

Aufmacherbild: MIT/RB by N.Schmitz/pixelio