Wissenschaftler haben einen Kunststoff entwickelt, der Stahl in nichts nachsteht – stark, aber leicht. Kunststoffe, von Chemikern auch Polymere genannt, sind eine Klasse langkettiger Moleküle, die aus kurzen, sich wiederholenden Einheiten, den Monomeren, bestehen. Anders als bisherige Polymere gleicher Festigkeit ist das neue Material nur als Membran erhältlich. Es ist zudem 50-mal luftdichter als der undurchlässigste Kunststoff auf dem Markt. Ein weiterer bemerkenswerter Aspekt dieses Polymers ist seine einfache Synthese. Das Verfahren, das bei Raumtemperatur abläuft, benötigt lediglich kostengünstige Materialien, und das Polymer lässt sich in großen, nur wenige Nanometer dünnen Folien in Massenproduktion herstellen. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse am 2. Februar in der Fachzeitschrift Nature.
Das fragliche Material heißt Polyamid und besteht aus einem Netzwerk von Amidmolekülen (Amide sind Stickstoffgruppen, die an Sauerstoffatome gebunden sind). Zu diesen Polymeren gehören Kevlar, eine Faser, die zur Herstellung von kugelsicheren Westen verwendet wird, und Nomex, ein feuerfestes Gewebe. Wie bei Kevlar sind die Polyamidmoleküle im neuen Material über Wasserstoffbrückenbindungen entlang ihrer gesamten Kettenlänge miteinander verbunden, was die Gesamtfestigkeit des Materials erhöht.
„Sie haften zusammen wie Klettverschluss“, sagte Hauptautor Michael Strano, Chemieingenieur am MIT. Das Zerreißen von Materialien erfordert nicht nur das Aufbrechen einzelner Molekülketten, sondern auch das Überwinden der riesigen intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen, die das gesamte Polymerbündel durchdringen.
Darüber hinaus können die neuen Polymere selbstständig Flocken bilden. Dies erleichtert die Verarbeitung des Materials, da es zu Dünnschichten verarbeitet oder als Dünnschicht-Oberflächenbeschichtung eingesetzt werden kann. Traditionelle Polymere wachsen tendenziell als lineare Ketten oder verzweigen und verknüpfen sich unabhängig von ihrer Orientierung wiederholt dreidimensional. Stranos Polymere hingegen wachsen auf einzigartige Weise zweidimensional und bilden Nanoschichten.
„Kann man Daten auf einem Blatt Papier aggregieren? Wie sich herausstellte, war das in den meisten Fällen bis zu unserer Arbeit nicht möglich“, sagte Strano. „Wir haben also einen neuen Mechanismus gefunden.“ In dieser jüngsten Arbeit überwand sein Team eine Hürde, um diese zweidimensionale Aggregation zu ermöglichen.
Die planare Struktur von Polyaramiden ist auf einen Mechanismus der Polymersynthese zurückzuführen, der als autokatalytische Templatierung bezeichnet wird: Während sich das Polymer verlängert und an die Monomerbausteine anlagert, bewirkt das wachsende Polymernetzwerk, dass sich nachfolgende Monomere gezielt in die richtige Richtung verbinden, um die zweidimensionale Struktur zu verstärken. Die Forscher demonstrierten, dass sie das Polymer in Lösung problemlos auf Wafer auftragen und so zentimeterbreite Laminate mit einer Dicke von weniger als 4 Nanometern herstellen konnten. Das entspricht fast einem 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 Materialfolie zu stechen. Dieses Polyamid ist tatsächlich steifer als herkömmliche Polymere wie Nylon, das Material, aus dem Fallschirme gefertigt werden. Bemerkenswerterweise ist doppelt so viel Kraft nötig, um dieses extrem widerstandsfähige Polyamid zu lösen wie Stahl gleicher Dicke. Laut Strano kann der Stoff als Schutzbeschichtung für Metalloberflächen, beispielsweise für Autofurniere, oder als Filter zur Wasserreinigung eingesetzt werden. Für letztere Anwendung muss die ideale Filtermembran dünn, aber dennoch robust genug sein, um hohem Druck standzuhalten, ohne dass kleine, störende Verunreinigungen in das Trinkwasser gelangen – eine perfekte Voraussetzung für dieses Polyamidmaterial.
Strano hofft, das Polymerisationsverfahren künftig auf verschiedene Polymere jenseits dieses Kevlar-Analogons auszuweiten. „Polymere sind überall um uns herum“, sagte er. „Sie sind allgegenwärtig.“ Man stelle sich vor, viele verschiedene Polymerarten, sogar exotische, die Strom oder Licht leiten können, in dünne Filme zu verwandeln, die eine Vielzahl von Oberflächen bedecken können, fügte er hinzu. „Dank dieses neuen Mechanismus können nun vielleicht auch andere Polymerarten verwendet werden“, sagte Strano.
In einer Welt, die von Plastik umgeben ist, gibt es laut Strano Grund zur Freude über ein weiteres neues Polymer mit außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften. Dieses Aramid ist extrem widerstandsfähig, was bedeutet, dass wir alltägliche Kunststoffe – von Farben über Tüten bis hin zu Lebensmittelverpackungen – durch weniger und gleichzeitig robustere Materialien ersetzen können. Strano fügte hinzu, dass dieses hochfeste 2D-Polymer aus Nachhaltigkeitssicht ein Schritt in die richtige Richtung sei, um die Welt vom Plastik zu befreien.
Shi En Kim (wie sie üblicherweise Kim genannt wird) ist eine in Malaysia geborene freiberufliche Wissenschaftsjournalistin und Redaktionspraktikantin für Popular Science im Frühjahr 2022. Sie hat ausführlich über Themen geschrieben, die von den kuriosen Verwendungszwecken von Spinnweben – von Menschen oder Spinnen selbst – bis hin zu Müllsammlern im Weltraum reichen.
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Veröffentlichungsdatum: 19. Mai 2022