Elastisches Polymer, das gleichzeitig steif und zäh ist, löst langjähriges Rätsel
Nachhaltigere, langlebigere Polymermaterialien könnten den Kunststoffverbrauch senken
Die Polymerwissenschaft hat Gummireifen, Teflon und Kevlar, Plastikwasserflaschen, Nylonjacken und viele andere allgegenwärtige Dinge des täglichen Lebens möglich gemacht. Elastische Polymere, so genannte Elastomere, können wiederholt gedehnt und entspannt werden und werden in Anwendungen wie Handschuhen und Herzklappen verwendet, wo sie lange halten müssen, ohne zu reißen. Aber ein Rätsel hat die Polymerwissenschaftler lange verblüfft: Elastische Polymere können steif oder zäh sein, aber sie können nicht beides sein.
Ein stark verknäultes Hydrogel (links) und ein normales Hydrogel (rechts).
Suo Lab/Harvard SEAS
Dieser Konflikt zwischen Steifigkeit und Zähigkeit ist eine Herausforderung für Wissenschaftler, die Polymere entwickeln, die in Anwendungen wie Geweberegeneration, Bioklebstoffe, Bioprinting, tragbare Elektronik und weiche Roboter eingesetzt werden könnten.
In einer in Science veröffentlichten Arbeit haben Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) diesen langjährigen Konflikt gelöst und ein Elastomer entwickelt, das sowohl steif als auch zäh ist.
"Neben der Entwicklung von Polymeren für neue Anwendungen sehen sich die Wissenschaftler mit einer dringenden Herausforderung konfrontiert: der Verschmutzung von Kunststoffen", so Zhigang Suo, Allen E. and Marilyn M. Puckett Professor of Mechanics and Materials und Hauptautor der Studie. "Die Entwicklung biologisch abbaubarer Polymere hat uns wieder einmal zu grundlegenden Fragen zurückgebracht: Warum sind einige Polymere zäh, andere aber spröde? Wie können wir Polymere so gestalten, dass sie bei wiederholter Dehnung nicht reißen?"
Polymerketten werden durch die Verknüpfung von Monomerbausteinen hergestellt. Um ein Material elastisch zu machen, werden die Polymerketten durch kovalente Bindungen vernetzt. Je mehr Vernetzungen, desto kürzer die Polymerketten und desto steifer das Material.
"Je kürzer die Polymerketten sind, desto weniger Energie kann im Material gespeichert werden, und das Material wird spröde", sagt Junsoo Kim, Doktorand am SEAS und Mitautor der Studie. "Wenn man nur wenige Vernetzungen hat, sind die Ketten länger, und das Material ist zäh, aber zu matschig, um nützlich zu sein.
Um ein Polymer zu entwickeln, das sowohl steif als auch widerstandsfähig ist, setzten die Forscher auf physikalische und nicht auf chemische Bindungen, um die Polymerketten zu verbinden. Diese physikalischen Bindungen, die so genannten Verflechtungen, sind in der Wissenschaft schon fast so lange bekannt, wie es Polymere gibt, aber man ging davon aus, dass sie nur die Steifigkeit, nicht aber die Zähigkeit beeinflussen.
Das SEAS-Forschungsteam fand jedoch heraus, dass ein Polymer mit genügend Verflechtungen zäh werden kann, ohne dass die Steifigkeit darunter leidet. Zur Herstellung hoch verwickelter Polymere verwendeten die Forscher eine konzentrierte Monomervorläuferlösung mit 10-mal weniger Wasser als andere Polymerrezepte.
"Indem wir alle Monomere in diese Lösung mit weniger Wasser drängten und sie dann polymerisierten, zwangen wir sie, sich zu verwickeln, wie verhedderte Garnfäden", so Guogao Zhang, Postdoktorand am SEAS und Mitautor der Studie. "Genau wie bei gestrickten Stoffen halten die Polymere ihre Verbindung zueinander aufrecht, indem sie physikalisch miteinander verflochten sind.
Bei Hunderten dieser Verflechtungen sind nur eine Handvoll chemischer Vernetzungen erforderlich, um das Polymer stabil zu halten.
"Als Elastomere haben diese Polymere eine hohe Zähigkeit, Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit", sagt Meixuanzi Shi, Gastwissenschaftler am SEAS und Mitautor der Studie. "Wenn die Polymere in Wasser getaucht werden, um zu Hydrogelen zu werden, haben sie eine geringe Reibung und eine hohe Verschleißfestigkeit".
Diese hohe Ermüdungsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit erhöht die Haltbarkeit und Lebensdauer der Polymere.
"Unsere Forschung zeigt, dass wir durch die Verwendung von Verflechtungen anstelle von Vernetzungen den Verbrauch einiger Kunststoffe senken können, indem wir die Haltbarkeit der Materialien erhöhen", so Zhang.
"Wir hoffen, dass dieses neue Verständnis der Polymerstruktur die Anwendungsmöglichkeiten erweitern und den Weg für nachhaltigere, langlebige Polymermaterialien mit diesen außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften ebnen wird", so Kim.
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