Fast 200 Jahre alte Herausforderung der Polymere durch bedeutenden Materialdurchbruch gelöst
Forscher widersetzen sich den Regeln der Materialwissenschaft mit Molekülen, die gespeicherte Länge freisetzen, um Steifigkeit und Dehnbarkeit zu entkoppeln
Forscher an der University of Virginia School of Engineering and Applied Science haben ein neues Polymerdesign entwickelt, das das Lehrbuch der Polymertechnik neu zu schreiben scheint. Es ist nicht länger ein Dogma, dass je steifer ein Polymermaterial ist, desto weniger dehnbar muss es sein.
Eine künstlerische Darstellung eines Netzwerks, das durch die Vernetzung faltbarer Bottlebrush-Polymere gebildet wird, die eine kollabierte Hauptkette aufweisen, auf die viele flexible lineare Seitenketten aufgepfropft sind.
Liheng Cai, Baiqiang Huang/Soft Biomatter Lab, University of Virginia School of Engineering and Applied Science
Baiqiang Huang (links), Doktorand an der Fakultät für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen der University of Virginia, mit UVA-Assistenzprofessor Liheng Cai.
Matt Cosner, University of Virginia School of Engineering and Applied Science
"Wir stellen uns einer grundlegenden Herausforderung, die seit der Erfindung des vulkanisierten Kautschuks im Jahr 1839 als unlösbar galt", so Liheng Cai, Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und -technik sowie Chemieingenieurwesen.
Damals entdeckte Charles Goodyear zufällig, dass das Erhitzen von Naturkautschuk mit Schwefel chemische Vernetzungen zwischen den strangförmigen Kautschukmolekülen erzeugt. Durch diesen Vernetzungsprozess entsteht ein Polymernetzwerk, das den klebrigen Gummi, der in der Hitze schmilzt und fließt, in ein haltbares, elastisches Material verwandelt.
Seitdem war man der Meinung, dass man, wenn man ein Polymernetzwerk steif machen will, etwas Dehnbarkeit opfern muss.
Das heißt, bis Cais Team unter der Leitung des Doktoranden Baiqiang Huang mit ihren neuen "faltbaren Bottlebrush-Polymer-Netzwerken" das Gegenteil bewies. Ihre Arbeit, die durch Cais National Science Foundation CAREER Award finanziert wurde, ist auf dem Titelblatt der Ausgabe vom 27. November von Science Advances zu sehen.
Entkopplung" von Steifigkeit und Dehnbarkeit
"Diese Einschränkung hat die Entwicklung von Materialien, die sowohl dehnbar als auch steif sein müssen, behindert und die Ingenieure gezwungen, sich für eine Eigenschaft auf Kosten der anderen zu entscheiden", so Huang. "Stellen Sie sich zum Beispiel ein Herzimplantat vor, das sich bei jedem Herzschlag verbiegt und biegt, aber trotzdem jahrelang hält".
Huang war zusammen mit den Postdocs Shifeng Nian und Cai Erstautor der Studie.
Vernetzte Polymere sind in unseren Produkten allgegenwärtig, von Autoreifen bis zu Haushaltsgeräten - und sie werden zunehmend in Biomaterialien und medizinischen Geräten eingesetzt.
Zu den Anwendungen, die das Team für sein Material ins Auge fasst, gehören Prothesen und medizinische Implantate, verbesserte tragbare Elektronik und "Muskeln" für weiche Robotersysteme, die sich wiederholt biegen, krümmen und strecken müssen.
Steifigkeit und Dehnbarkeit - wie weit sich ein Material dehnen oder ausdehnen kann, ohne zu brechen - sind miteinander verbunden, da sie aus demselben Baustein stammen: den durch Vernetzungen verbundenen Polymersträngen. Um ein Polymernetzwerk zu versteifen, fügt man traditionell mehr Vernetzungen hinzu.
Dadurch wird das Material zwar steifer, aber der Kompromiss zwischen Steifigkeit und Dehnbarkeit wird nicht gelöst. Polymernetzwerke mit mehr Vernetzungen sind zwar steifer, aber sie haben nicht die gleiche Verformungsfreiheit und brechen leicht, wenn sie gedehnt werden.
"Unser Team erkannte, dass wir durch die Entwicklung faltbarer Bottlebrush-Polymere, die zusätzliche Länge in ihrer eigenen Struktur speichern können, Steifigkeit und Dehnbarkeit 'entkoppeln' können - mit anderen Worten, wir können Dehnbarkeit einbauen, ohne die Steifigkeit zu opfern", sagte Cai. "Unser Ansatz ist anders, weil er sich auf das molekulare Design der Netzwerkstränge und nicht auf die Querverbindungen konzentriert."
Wie das faltbare Design funktioniert
Anstelle von linearen Polymersträngen ähnelt Cais Struktur einer Flaschenbürste - viele flexible Seitenketten, die von einem zentralen Rückgrat ausgehen.
Entscheidend ist, dass sich das Rückgrat wie eine Ziehharmonika zusammenziehen und ausdehnen kann, die sich beim Dehnen entfaltet. Wenn das Material gezogen wird, wickelt sich die verborgene Länge im Inneren des Polymers ab, so dass es sich bis zu 40-mal mehr dehnen kann als herkömmliche Polymere, ohne zu schwächeln.
Gleichzeitig bestimmen die Seitenketten die Steifigkeit, was bedeutet, dass Steifigkeit und Dehnbarkeit endlich unabhängig voneinander gesteuert werden können.
Dies ist eine "universelle" Strategie für Polymernetzwerke, da die Komponenten, aus denen die faltbare Bottlebrush-Polymerstruktur besteht, nicht auf bestimmte chemische Typen beschränkt sind.
In einem ihrer Entwürfe wird zum Beispiel ein Polymer für die Seitenketten verwendet, das auch bei kalten Temperaturen flexibel bleibt. Durch die Verwendung eines anderen synthetischen Polymers für die Seitenketten, das üblicherweise in der Biomaterialtechnik verwendet wird, kann jedoch ein Gel hergestellt werden, das lebendes Gewebe imitieren kann.
Wie viele der neuartigen Materialien, die in Cais Labor entwickelt wurden, ist das faltbare Bottlebrush-Polymer so konzipiert, dass es 3D-druckbar ist. Dies gilt selbst dann, wenn es mit anorganischen Nanopartikeln gemischt wird, die so gestaltet werden können, dass sie komplizierte elektrische, magnetische oder optische Eigenschaften aufweisen.
So können sie beispielsweise leitfähige Nanopartikel wie Silber- oder Goldnanostäbchen hinzufügen, die für dehnbare und tragbare Elektronik entscheidend sind.
"Diese Komponenten geben uns endlose Möglichkeiten, Materialien zu entwerfen, die ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Dehnbarkeit herstellen und gleichzeitig die Eigenschaften anorganischer Nanopartikel je nach den spezifischen Anforderungen nutzen", so Cai.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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