Materialien durch Wissenschaft haltbarer machen

Forscher entwickeln Molekül, das den Verschleiß verringert

01.09.2023 - USA

Ein Team der Sandia National Laboratories hat ein Molekül entwickelt, das dazu beiträgt, die Art und Weise zu verändern, wie manche Materialien auf Temperaturschwankungen reagieren, und sie dadurch haltbarer macht. Diese Anwendung könnte in allen möglichen Bereichen zum Einsatz kommen, von Plastikhandyhüllen bis hin zu Raketen.

Craig Fritz/Sandia National Laboratories

Polymere, zu denen verschiedene Formen von Kunststoffen gehören, bestehen aus vielen kleineren Molekülen, die miteinander verbunden sind. Diese Verbindung macht sie besonders stark und zu einem idealen Produkt für den Schutz empfindlicher Komponenten in einer Vielzahl von Gegenständen. Doch mit der Zeit, dem Gebrauch und der Einwirkung unterschiedlicher Umgebungen beginnen alle Materialien, sich zu verschlechtern.

Heiß zu kalt, kalt zu heiß, das große Problem

Einer der größten Faktoren für die Verschlechterung von Materialien ist der wiederholte Wechsel von heißen zu kalten Temperaturen und zurück. Die meisten Materialien dehnen sich aus, wenn sie erhitzt werden, und ziehen sich zusammen, wenn sie abgekühlt werden, aber jedes Material hat seine eigene Veränderungsrate. Polymere beispielsweise dehnen sich am stärksten aus und ziehen sich zusammen, während sich Metalle und Keramiken am wenigsten zusammenziehen.

Reibungsverluste ab der ersten Begegnung: Das Material verzeiht nichts

Dauerhafte molekulare Veränderungen schon beim ersten Kontakt

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Erica Redline, eine Materialwissenschaftlerin, die das Team leitet, sagte, dass die meisten Gegenstände aus mehr als einer Art von Material bestehen.

"Nehmen Sie zum Beispiel Ihr Handy, das ein Kunststoffgehäuse hat, das mit einem Glasbildschirm verbunden ist, und darin die Metalle und Keramiken, aus denen die Schaltkreise bestehen", sagte Redline. "Diese Materialien sind alle miteinander verschraubt, verklebt oder auf andere Weise verbunden und dehnen sich unterschiedlich schnell aus und ziehen sich zusammen, wodurch sie im Laufe der Zeit Risse bekommen oder sich verziehen können.

Redline sagte, dass sie von den vielen Kunden von Sandia immer wieder die gleiche Beschwerde hört.

"Sie sprechen immer wieder von Problemen mit der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung und davon, dass ihre bestehenden Systeme wegen der vielen Füllstoffe, die sie zum Ausgleich hinzufügen müssen, nur schwer zu bearbeiten sind", so Redline.

Damit war die Idee von Redline geboren.

"Ich dachte, was wäre, wenn ich ein perfektes Material erfinden würde, wie würde das aussehen", sagte Redline.

Redline glaubt, dass sie es geschafft hat, mit der Hilfe ihres Teams Chad Staiger, Jason Dugger, Eric Nagel, Koushik Ghosh, Jeff Foster, Kenneth Lyons, Alana Yoon und den Mitarbeitern der akademischen Allianz, Professor Zachariah Page und der Doktorandin Meghan Kiker.

Das Molekül in Aktion

Das Team hat ein Molekül so verändert, dass es leicht in ein Polymer eingebaut werden kann, um dessen Eigenschaften zu verändern.

"Dieses Molekül ist wirklich einzigartig: Wenn man es erhitzt, dehnt es sich nicht aus, sondern zieht sich zusammen, indem es seine Form verändert", so Redline.

"Wenn man es einem Polymer hinzufügt, bewirkt es, dass sich das Polymer weniger zusammenzieht und ähnliche Ausdehnungs- und Kontraktionswerte wie Metalle erreicht. Ein Molekül zu haben, das sich wie ein Metall verhält, ist ziemlich bemerkenswert."

Unendliche Möglichkeiten

Dieses Molekül könnte auf unendlich viele Arten verwendet werden. Polymere werden als Schutzbeschichtungen in der Elektronik, in Kommunikationssystemen, Solarzellen, Automobilkomponenten, Leiterplatten, Luft- und Raumfahrtanwendungen, Verteidigungssystemen, Bodenbelägen und vielem mehr eingesetzt.

"Das Molekül löst nicht nur aktuelle Probleme, sondern eröffnet auch einen bedeutenden Gestaltungsspielraum für weitere Innovationen in der Zukunft", so Jason Dugger, ein Chemieingenieur von Sandia, der sich mit potenziellen Anwendungen, insbesondere in Verteidigungssystemen, befasst hat.

Ein weiterer Schlüssel zu dieser Erfindung liegt darin, dass sie im 3D-Druck in verschiedene Teile eines Polymers mit unterschiedlichen Anteilen eingearbeitet werden kann.

"Man könnte eine Struktur mit einem bestimmten thermischen Verhalten in einem Bereich und einem anderen thermischen Verhalten in einem anderen Bereich drucken, um die Materialien in verschiedenen Teilen des Gegenstands aufeinander abzustimmen", so Dugger.

Ein weiterer Vorteil ist die Gewichtsreduzierung von Materialien durch den Verzicht auf schwere Füllstoffe.

"Damit können wir die Dinge viel leichter machen, um Masse zu sparen", sagte Dugger. "Das ist besonders wichtig, wenn wir zum Beispiel einen Satelliten starten. Jedes Gramm, das wir einsparen können, ist enorm."

Redline sagte, dass sie auch von einem Epoxidformulierer angesprochen wurde, der glaubt, dass dieses Molekül in Klebstoffe eingearbeitet werden könnte.

Der nächste Schritt

Das Team hat dieses Molekül bisher nur in kleinen Mengen hergestellt, arbeitet aber daran, einen Weg zu finden, die Produktion zu erhöhen, damit andere Sandia-Forscher das Molekül für ihre Aufgaben testen können.

Chad Staiger, ein organischer Chemiker bei Sandia, stellt das Molekül her. Er sagte, dass er etwa 10 Tage für die Herstellung von 7-10 Gramm benötigt.

"Leider ist die Synthese für dieses Molekül sehr langwierig", so Staiger. "Mehr Schritte bedeuten mehr Zeit und mehr Geld. Bei höherwertigen Materialien wie Pharmazeutika sind fünf- bis sechsstufige Synthesen üblich. Bei Polymeren gilt: je billiger, desto besser für eine breite Anwendung.

Das Team arbeitet daran, die Anzahl der Schritte zu verringern, indem es 100.000 Dollar aus dem Sandia-Programm zur Technologiereifung nutzt, das dabei hilft, Produkte für den Markt vorzubereiten.

"Meine Aufgabe ist es, herauszufinden, ob es einen einfacheren Weg gibt, um es auf kommerzieller Ebene herzustellen", so Postdoc Eric Nagel. "Es gibt nichts Vergleichbares da draußen. Ich bin wirklich begeistert von den Möglichkeiten, die diese Technologie bietet, und von den Anwendungen, die damit verbunden sein könnten."

"Es ist ziemlich phänomenal und ziemlich offen", sagte Staiger.

Dugger stimmte zu: "Die Möglichkeiten sind wirklich grenzenlos".

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