"Catalyst switching": Vier werden zu eins

11.11.2019 - Saudi-Arabien

Durch die Kombination von vier verschiedenen chemischen Reaktionen in einem einzigen Kolben haben die Forscher von KAUST vier Polymere zu einer einzigen multikristallinen Substanz kombiniert. Materialien, die mehrere Polymere nahtlos kombinieren, vereinen potenziell die besten Aspekte eines jeden Materials.

© 2019 KAUST

Hadjichristidis und sein Team fanden heraus, dass der Einsatz von "Catalyst switching" Zeit spart und das Risiko einer Kontamination des Polymers vermeidet.

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Mit einer Technik namens "Catalyst switching" ist das KAUST-Team in der Lage, Multiblockpolymere in einem einzigen Reaktionstopf herzustellen.

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Der vielseitige neue Ansatz zur Herstellung dieser "multikristallinen Multiblockpolymere", den Nikos Hadjichristidis vom KAUST-Katalysezentrum und sein Team in Zusammenarbeit mit Yves Gnanou entwickelt haben, könnte zu einer ganz neuen Familie von fortschrittlichen Polymermaterialien führen.

Polymere sind langkettige Moleküle, die durch die Verbindung von kleinen Molekülen "monomeren Einheiten" hergestellt werden, wie eine Reihe identischer Perlen an einer Halskette. In jüngster Zeit haben Forscher Möglichkeiten zur Herstellung von "doppelkristallinen" Copolymeren entwickelt, bei denen ein Teil der Kette aus einer Art von Monomer und der andere Teil aus einer anderen besteht. "Doppelkristalline Blockcopolymere haben unzählige Anwendungen, wie zum Beispiel für Energiespeicherung, Tissue Engineering und Drug Delivery", sagt Viko Ladelta, Mitglied im Hadjichristidis-Team.

Die Zugabe einer noch größeren Anzahl von verschiedenen Polymerabschnitten hat das Potenzial, Materialien mit noch besseren Eigenschaften herzustellen. "Aber die synthetischen Verfahren sind sehr anspruchsvoll", erklärt Ladelta. "Es war schwierig, auch nur die Synthese von doppelkristallinen Blockcopolymeren durchzuführen, da die Monomere und Katalysatoren nicht kompatibel sind." Die Herstellung von Materialien, die vier verschiedene Monomere in vier chemisch unterschiedlichen Blöcken enthalten - tetrakristalline Tetrablock-Viertelpolymere - führt zu noch größerer Unverträglichkeit.

Hadjichristidis und sein Team haben einen Trick entwickelt, der "Catalyst switching" genannt wird, um das Inkompatibilitätsproblem zu überwinden. Die meisten organischen Katalysatoren, die für eine polymerbildende Reaktion, die so genannte Ringöffnungspolymerisation, verwendet werden, sind entweder Säuren oder Basen. Durch Zugabe einer Art von Monomer zur Polymerkette unter basischen Bedingungen, anschließende Einstellung des pH-Wertes und Verwendung eines zweiten Katalysators zur Zugabe des nächsten Monomers ist es möglich, Multiblockpolymere in einem einzigen Reaktionskessel herzustellen. "Diese Strategie spart Zeit und vermeidet auch das Risiko einer Kontamination des Polymers", sagt Ladelta.

Die Gruppe von Hadjichristidis hat zuvor "Catalyst switching" zwischen organischen Katalysatoren genutzt, um doppelkristalline und dreifachkristalline Polymere herzustellen. Jetzt hat das Team zum ersten Mal gezeigt, dass es möglich ist, den pH-Wert einzustellen, dann von einem organischen zu einem Metallkatalysator zu wechseln und ein tetrakristallines Tetrablock-Viertelpolymer herzustellen.

"Unser Plan ist es, den Umfang der "Catalyst switching"-Strategie auf andere Polymerisationstypen auszudehnen", sagt Ladelta. "Wir werden komplexere multikristalline Polymere synthetisieren und mit Polymerphysikern zusammenarbeiten, um die physikalischen Eigenschaften zu verstehen, die uns zu praktischen Anwendungen führen."

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