Bahnbrechende Entdeckung: Kunststoffe sind nicht so, wie wir denken
Neue Studie zeigt, dass sie ein wenig gummiartig sind und ebnet den Weg für bessere Produkte
Ein Durchbruch von Forschern der University of South Florida (USF) und mit ihr zusammenarbeitenden Einrichtungen auf der ganzen Welt könnte den Weg für bessere Produkte ebnen, z. B. für bessere Batterien, Autolacke und Handy-Bildschirme.
Veranschaulichung der Entstehung einer transienten Elastomerdomäne an der Grenzfläche durch den segmentalen dynamischen Gradienten unter Verwendung eines repräsentativen Simulationsschnappschusses (gerendert in VMD37). Der exponentielle Gradient der Aktivierungsbarrieren für die Relaxation wird durch den Farbgradienten der Hintergrundperlen veranschaulicht; eine repräsentative Kette, die sich von der Oberfläche bis zur Filmmitte erstreckt, ist gelb hervorgehoben. Dieser sich über den Gradienten erstreckende Strang erzeugt das transiente gummiartige Verhalten der Oberfläche.
University of South Florida
Wenn man viele moderne Materialien heranzoomt, wie z. B. die in einigen der neuesten Batterien, die aus glasartigen Polymeren - zu denen viele Kunststoffe gehören - hergestellt werden, erscheinen sie nicht einheitlich. Stattdessen sehen sie wie ein krawattengefärbtes Hemd aus, mit Wirbeln aus verschiedenen Materialien. Den Forschern zufolge kann diese "nanoskalige Struktur" solche außergewöhnlichen Eigenschaften hervorbringen, weil die Oberfläche glasartiger Polymere nicht hart ist, sondern eine gummiartige Konsistenz aufweist.
Eine neue Studie, die in "Nature" veröffentlicht wurde, verändert unser Verständnis des Verhaltens von Glas, einem Materiezustand, der Aspekte von fest und flüssig in sich vereint. Forscher der USF entdeckten zusammen mit Kollegen der Princeton University und der Zhejiang Sci-Tech University, dass an der Oberfläche von glasartigen Polymeren ein natürlicher Effekt auftritt, der eine nachgiebige, gummiartige Schicht von nur wenigen Dutzend Atomen Dicke erzeugt, die völlig andere Eigenschaften als das übrige Material hat. Dieses Verhalten hat weitreichende technologische Auswirkungen, da es Aufschluss darüber gibt, wie glasartige Polymere aneinander haften können, und möglicherweise einen Einblick in die Kratzfestigkeit auf molekularer Ebene bietet.
"Dies gibt uns die Möglichkeit zu verstehen und zu kontrollieren, wie sich glasartige Polymere - Kunststoffe - direkt an ihrer Oberfläche verhalten", sagte der korrespondierende Autor David Simmons, außerordentlicher Professor für Chemie-, Bio- und Materialtechnik an der USF. "Ob ein Staubpartikel an einer Farbe klebt, zwei Fasern in einem 3D-Drucker zusammenkleben oder die Oberfläche eines Kunststoffglases in einer Brille abgenutzt wird - diese mikroskopische Schicht an der Oberfläche von Kunststoffen ist immens wichtig für die Leistung dieser Materialien, und jetzt verstehen wir zum ersten Mal wirklich ihre Natur."
Simmons und seine Mitarbeiter machten diese Entdeckung, indem sie "Benetzungsgrate", winzige Grate auf der Oberfläche eines Kunststoffs, durch die Freisetzung eines ionischen Flüssigkeitstropfens auf Polystyroloberflächen bei verschiedenen Temperaturen bildeten. Polystyrol ist ein fester Kunststoff, eine Art Glas, der von Natur aus klar ist und häufig für Lebensmittelverpackungen, Konsumgüter und Baumaterialien verwendet wird. Durch diese Messungen und die Vergrößerung der molekularen Skala mit Hilfe von Supercomputer-Simulationsmodellen konnten sie das Vorhandensein dieser weichen, gummiartigen Schicht aufdecken und zeigen, wie sie kontrolliert werden kann. Dieser Durchbruch könnte dazu beitragen, den "Sweet Spot" für wichtige Eigenschaften wie Haftung und Kratzfestigkeit zu finden, selbst auf starren Oberflächen.
Die Theorie ähnelt dem modernen Verständnis dessen, was das Schlittschuhlaufen möglich macht. Die oberste Molekularschicht der Eisfläche verhält sich wie Wasser, selbst wenn die Eisfläche gefroren ist, und ermöglicht es den Schlittschuhen, über die Oberfläche zu gleiten. Andernfalls wäre es nicht möglich.
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Originalveröffentlichung
"Mobility gradients yield rubbery surfaces on top of polymer glasses"; Nature; 2021
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