Licht macht Maschen weiter

07.02.2013: Bei der Herstellung von Kunststoffen ist die Bestrahlung mit Licht ein gängiges Verfahren, um die Polymerisation in Gang zu bringen oder eine Quervernetzung (Aushärtung) zu erzielen. Amerikanische Forscher nutzen Licht jetzt, um die Maschenweite innerhalb eines polymeren Netzwerks nachträglich zu vergrößern. So lassen sich Polymergele mit gezielt variierten mechanischen Eigenschaften herstellen.

Huaxing Zhou und Jeremiah A. Johnson vom Massachusetts Institute of Technology mussten dazu auf Licht reagierende Atomgruppen in ein Polymer einbauen. Sie wählten Trithiocarbonat-Einheiten, die aus einem Kohlenstoffatom und drei Schwefelatomen bestehen. An zwei der Schwefelatome knüpften die Forscher noch je eine organische Seitengruppe. Unter dem Einfluss von UV-Licht wird eine Bindung zwischen Schwefel- und Kohlenstoffatom der Seitengruppe aufgebrochen. Dabei entstehen hochreaktive Moleküle mit ungepaarten Elektronen, die neue Bindungen eingehen wollen, sogenannte Radikale. Geschieht das in Gegenwart von N-Isopropylacrylamid-Monomeren, verbinden sich diese Monomere zu einem Polymer. Formal gesehen „schiebt“ sich dabei Monomer für Monomer zwischen das Schwefelatom der zentralen Thiocarbonat-Gruppe und die Seitengruppen. Die beiden Seitenketten wachsen zu langen Polymerketten an. Solange bestrahlt wird, können immer wieder ein Bindungsbruch und ein neuer Bindungsaufbau um die Schwefelatomen herum stattfinden. Ohne Licht stoppt die Reaktion.

Das entstandene Polymer behandelten die Forscher mit Tris-Tetrazin, das jeweils drei Polymerkettenenden miteinander verknüpft und so für eine Vernetzung der Ketten zu einem Gel sorgt. Wird anschließend erneut Monomer zugegeben und bestrahlt, können die Polymerketten auch in diesem quervernetzen Zustand ausgehend von den Trithiocarbonat-Gruppen weiterwachsen. Je länger bestrahlt wird, desto länger werden die Ketten und desto weiter werden die Maschen des Polymer-Netzwerks. Die Festigkeit nimmt ab, das Gel kann stärker aufquellen. Nicht nur UV-, auch Sonnenlicht kann den Prozess auslösen.

Das Verfahren könnte genutzt werden, um eine Polymerisation nicht nur zeitlich zu kontrollieren, sondern auch räumlich. Mit einer Maske ließe sich ein Muster aus festeren und lockereren Bereichen oder auch ein mechanischer Gradient innerhalb des Gels erzeugen. Wird die Polymerisation schrittweise mit verschiedenen Monomeren durchgeführt, ließe sich zudem ein chemisches Muster oder ein chemischer Gradient herstellen und so die Größe und Zusammensetzung von Poren innerhalb eines Gels gezielt einstellen.

Mögliche Anwendungen für das Verfahren könnte z.B. die Herstellung neuartiger Licht einfangender Materialien, maßgeschneiderter Filter für Giftstoffe sowie innovativer selbstheilender Materialien sein.

Originalveröffentlichung:
Johnson, J. et al. Photo-controlled Growth of Telechelic Polymers and End-linked Polymer Gels, Angewandte Chemie.