Wissenschaftler haben einen Kunststoff entwickelt, der mit Stahl vergleichbar ist – stark, aber nicht schwer. Kunststoffe, die Chemiker manchmal auch Polymere nennen, sind eine Klasse langkettiger Moleküle, die aus kurzen, sich wiederholenden Einheiten, sogenannten Monomeren, bestehen. Anders als bisherige Polymere gleicher Stärke liegt das neue Material nur in Membranform vor. Es ist außerdem 50-mal luftdichter als der undurchlässigste Kunststoff auf dem Markt. Ein weiterer bemerkenswerter Aspekt dieses Polymers ist seine einfache Synthese. Für den Prozess, der bei Raumtemperatur abläuft, werden nur billige Materialien benötigt, und das Polymer kann in großen, nur Nanometer dicken Platten in Massenproduktion hergestellt werden. Die Forscher berichten am 2. Februar in der Fachzeitschrift Nature über ihre Ergebnisse.
Bei dem betreffenden Material handelt es sich um ein sogenanntes Polyamid, ein gewundenes Netzwerk aus Amid-Moleküleinheiten (Amide sind chemische Stickstoffgruppen, die an sauerstoffgebundene Kohlenstoffatome gebunden sind). Zu diesen Polymeren gehören Kevlar, eine Faser zur Herstellung kugelsicherer Westen, und Nomex, ein feuerbeständiges Gewebe. Wie bei Kevlar sind die Polyamidmoleküle im neuen Material über die gesamte Länge ihrer Ketten durch Wasserstoffbrücken miteinander verbunden, was die Gesamtfestigkeit des Materials erhöht.
„Sie haften aneinander wie Klettverschluss“, sagte der Hauptautor Michael Strano, ein Chemieingenieur am MIT. Um Materialien zu zerreißen, müssen nicht nur einzelne Molekülketten aufgebrochen werden, sondern auch die riesigen intermolekularen Wasserstoffbrücken überwunden werden, die das gesamte Polymerbündel durchdringen.
Darüber hinaus können die neuen Polymere automatisch Flocken bilden. Dadurch lässt sich das Material leicht verarbeiten, da es zu dünnen Filmen verarbeitet oder als Dünnschicht-Oberflächenbeschichtung verwendet werden kann. Herkömmliche Polymere neigen dazu, als lineare Ketten zu wachsen oder sich unabhängig von der Ausrichtung wiederholt in drei Dimensionen zu verzweigen und zu verbinden. Die Polymere von Strano wachsen jedoch auf einzigartige Weise in 2D und bilden Nanoblätter.
„Kann man Daten auf einem Blatt Papier aggregieren? Bislang war das aber in den meisten Fällen nicht möglich“, sagte Strano. „Wir haben also einen neuen Mechanismus gefunden.“ In dieser aktuellen Arbeit überwand sein Team eine Hürde, um diese zweidimensionale Aggregation zu ermöglichen.
Der Grund für die planare Struktur von Polyaramiden liegt darin, dass bei der Polymersynthese ein Mechanismus namens autokatalytische Templatisierung eine Rolle spielt: Während das Polymer länger wird und an den Monomerbausteinen haftet, veranlasst das wachsende Polymernetzwerk nachfolgende Monomere dazu, sich nur in die richtige Richtung zu verbinden, um die Verbindung der zweidimensionalen Struktur zu stärken. Die Forscher zeigten, dass sie das Polymer in Lösung problemlos auf Wafer auftragen konnten, um 2,5 cm breite Laminate mit einer Dicke von weniger als 4 Nanometern herzustellen. Das ist fast ein Millionstel der Dicke von normalem Büropapier.
Um die mechanischen Eigenschaften des Polymermaterials zu quantifizieren, maßen die Forscher die Kraft, die erforderlich ist, um mit einer feinen Nadel Löcher in eine aufgehängte Materialplatte zu stechen. Dieses Polyamid ist tatsächlich steifer als herkömmliche Polymere wie Nylon, das zur Herstellung von Fallschirmen verwendet wird. Bemerkenswerterweise ist doppelt so viel Kraft erforderlich, um dieses superstarke Polyamid aufzuschrauben wie Stahl gleicher Dicke. Laut Strano kann die Substanz als Schutzbeschichtung auf Metalloberflächen, beispielsweise Autofurnieren, oder als Filter zur Wasserreinigung verwendet werden. Für letztere Funktion muss die ideale Filtermembran dünn, aber stark genug sein, um hohem Druck standzuhalten, ohne dass kleine, lästige Verunreinigungen in unsere Endversorgung gelangen – eine perfekte Lösung für dieses Polyamidmaterial.
Strano hofft, die Polymerisationsmethode künftig auf andere Polymere als dieses Kevlar-Analogon ausweiten zu können. „Polymere sind überall um uns herum“, sagt er. „Sie können alles.“ Stellen Sie sich vor, Sie könnten viele verschiedene Arten von Polymeren, sogar exotische, die Strom oder Licht leiten können, in dünne Filme verwandeln, die eine Vielzahl von Oberflächen bedecken können, fügt er hinzu. „Aufgrund dieses neuen Mechanismus können jetzt vielleicht auch andere Arten von Polymeren verwendet werden“, sagt Stano.
In einer Welt, die von Kunststoffen umgeben ist, hat die Gesellschaft Grund, sich über ein weiteres neues Polymer zu freuen, dessen mechanische Eigenschaften alles andere als gewöhnlich sind, sagte Strano. Dieses Aramid ist extrem haltbar, was bedeutet, dass wir alltägliche Kunststoffe – von Farben über Taschen bis hin zu Lebensmittelverpackungen – durch weniger und stärkere Materialien ersetzen können. Strano fügte hinzu, dass dieses superstarke 2D-Polymer aus Nachhaltigkeitssicht ein Schritt in die richtige Richtung sei, um die Welt von Kunststoff zu befreien.
Shi En Kim (wie sie normalerweise Kim genannt wird) ist eine in Malaysia geborene freiberufliche Wissenschaftsautorin und Redaktionspraktikantin bei Popular Science Spring 2022. Sie hat ausführlich über Themen geschrieben, die von der skurrilen Verwendung von Spinnweben – Menschen oder die Spinnen selbst – bis hin zu Müllsammlern im Weltraum reichen.
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Veröffentlichungszeit: 19. Mai 2022