Überraschung! Schwächere Bindungen können Polymere stärker machen
Durch Hinzufügen von schwachen Linkern zu einem Polymernetzwerk konnten Chemiker die Reißfestigkeit des Materials drastisch erhöhen
Ein Team von Chemikern des MIT und der Duke University hat einen kontraintuitiven Weg entdeckt, um Polymere stärker zu machen: Sie fügen einige schwächere Bindungen in das Material ein.
Bei der Arbeit mit einer Art von Polymeren, die als Polyacrylat-Elastomere bekannt sind, fanden die Forscher heraus, dass sie die Reißfestigkeit der Materialien um das Zehnfache erhöhen konnten, indem sie einfach eine schwächere Art von Vernetzer verwendeten, um einige der Polymerbausteine zu verbinden.
Diese kautschukartigen Polymere werden häufig für Autoteile verwendet und dienen auch als "Tinte" für 3D-gedruckte Objekte. Die Forscher untersuchen nun die Möglichkeit, diesen Ansatz auf andere Arten von Materialien, wie z. B. Gummireifen, auszuweiten.
"Wenn man einen Gummireifen zehnmal reißfester machen könnte, hätte das dramatische Auswirkungen auf die Lebensdauer des Reifens und auf die Menge des Mikroplastikmülls, der sich ablöst", sagt Jeremiah Johnson, Chemieprofessor am MIT und einer der Hauptautoren der Studie, die heute in Science erscheint.
Ein wesentlicher Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass er keine anderen physikalischen Eigenschaften der Polymere zu verändern scheint.
"Polymeringenieure wissen, wie man Materialien zäher machen kann, aber dazu muss man immer eine andere Eigenschaft des Materials verändern, die man nicht verändern will. In diesem Fall erfolgt die Verbesserung der Zähigkeit ohne signifikante Änderung der physikalischen Eigenschaften - zumindest derjenigen, die wir messen können - und wird durch den Austausch eines kleinen Teils des gesamten Materials erreicht", sagt Stephen Craig, Chemieprofessor an der Duke University und einer der Hauptautoren der Studie.
Dieses Projekt ist das Ergebnis einer langjährigen Zusammenarbeit zwischen Johnson, Craig und Michael Rubinstein, Professor an der Duke University, der ebenfalls einer der Hauptautoren der Studie ist. Der Hauptautor der Arbeit ist Shu Wang, ein MIT-Postdoc, der in Duke promoviert hat.
Das schwächste Glied
Polyacrylat-Elastomere sind Polymernetzwerke, die aus Acrylatsträngen bestehen, die durch Verbindungsmoleküle zusammengehalten werden. Diese Bausteine können auf verschiedene Weise miteinander verbunden werden, um Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften zu schaffen.
Eine häufig für diese Polymere verwendete Architektur ist ein sternförmiges Polymernetzwerk. Diese Polymere bestehen aus zwei Arten von Bausteinen: zum einen aus einem Stern mit vier identischen Armen und zum anderen aus einer Kette, die als Linker fungiert. Diese Linker binden sich an das Ende jedes Arms der Sterne, wodurch ein Netzwerk entsteht, das einem Volleyballnetz ähnelt.
In einer Studie aus dem Jahr 2021 haben Craig, Rubinstein und MIT-Professor Bradley Olsen gemeinsam die Festigkeit dieser Polymere gemessen. Wie erwartet, stellten sie fest, dass das Material schwächer wurde, wenn schwächere Endlinker verwendet wurden, um die Polymerstränge zusammenzuhalten. Diese schwächeren Linker, die zyklische Moleküle enthalten, die als Cyclobutan bekannt sind, können mit viel weniger Kraft gebrochen werden als die Linker, die normalerweise verwendet werden, um diese Bausteine zu verbinden.
Als Folgemaßnahme zu dieser Studie beschlossen die Forscher, eine andere Art von Polymernetzwerk zu untersuchen, bei dem Polymerstränge an zufälligen Stellen mit anderen Strängen vernetzt sind, anstatt an den Enden verbunden zu werden.
Als die Forscher dieses Mal schwächere Linker verwendeten, um die Acrylatbausteine miteinander zu verbinden, stellten sie fest, dass das Material viel reißfester wurde.
Die Forscher glauben, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass die schwächeren Bindungen zufällig als Verbindungsstellen zwischen ansonsten starken Strängen im gesamten Material verteilt sind, anstatt Teil der eigentlichen Stränge zu sein. Wenn dieses Material bis zur Bruchgrenze gedehnt wird, versuchen Risse, die sich durch das Material ausbreiten, die stärkeren Bindungen zu vermeiden und stattdessen durch die schwächeren Bindungen zu gehen. Das bedeutet, dass der Riss mehr Bindungen aufbrechen muss, als dies der Fall wäre, wenn alle Bindungen die gleiche Stärke hätten.
"Auch wenn diese Bindungen schwächer sind, müssen mehr von ihnen gebrochen werden, weil der Riss einen Weg durch die schwächsten Bindungen nimmt, der letztendlich länger ist", sagt Johnson.
Widerstandsfähige Materialien
Mit diesem Ansatz konnten die Forscher zeigen, dass Polyacrylate, die einige schwächere Linker enthielten, neun- bis zehnmal härter zu zerreißen waren als Polyacrylate, die mit stärkeren Vernetzungsmolekülen hergestellt wurden. Dieser Effekt wurde selbst dann erzielt, wenn die schwachen Vernetzer nur etwa 2 Prozent der Gesamtzusammensetzung des Materials ausmachten.
Die Forscher wiesen auch nach, dass diese veränderte Zusammensetzung keine der anderen Eigenschaften des Materials veränderte, wie z. B. die Widerstandsfähigkeit gegen Zerfall bei Erwärmung.
"Es ist sehr selten, dass zwei Materialien die gleiche Struktur und die gleichen Eigenschaften auf der Netzwerkebene haben, aber einen Unterschied von fast einer Größenordnung beim Zerreißen aufweisen", sagt Johnson.
Die Forscher untersuchen nun, ob dieser Ansatz zur Verbesserung der Zähigkeit anderer Materialien, einschließlich Gummi, verwendet werden kann.
"Es gibt hier noch viel zu erforschen, welche Verbesserungen bei anderen Materialien möglich sind und wie man sie am besten nutzen kann", sagt Craig.
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