Hell und robust: Ein Material, das sich selbst heilt und leuchtet

Neues Material könnte den Weg für neue Materialien wie organische Solarzellen ebnen

28.02.2024

Einem Forscherteam des RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) ist es gelungen, ein selbstheilendes Material zu entwickeln, das auch in der Lage ist, bei der Absorption von Licht ein hohes Maß an Fluoreszenz auszusenden. Die im Journal of the American Chemical Society veröffentlichte Forschungsarbeit könnte den Weg zu neuen Materialien wie organischen Solarzellen ebnen, die langlebiger sind als bisherige Typen.

Im Jahr 2019 gelang es Zhaomin Hou und seinem Team am RIKEN CSRS, Ethylen und Anisylpropylen mit Hilfe eines Seltenerdmetall-Katalysators zu copolymerisieren. Das daraus resultierende binäre Copolymer zeigte bemerkenswerte Selbstheilungseigenschaften gegenüber Beschädigungen. Die weichen Komponenten des Copolymers, abwechselnde Einheiten von Ethylen und Anisylpropylen, in Verbindung mit harten kristallinen Einheiten von Ethylen-Ethylen-Ketten, fungierten als physikalische Vernetzungspunkte und bildeten eine von Nanophasen getrennte Struktur, die sich als entscheidend für die Selbstheilung erwies.

Auf diesen Erfolg aufbauend, bauten sie eine lumineszierende Einheit, Styrylpyren, in ein Monomer ein und bildeten dann Polymere, die auch Anisylpropylen und Ethylen enthielten. Dieser Prozess führte in einem einzigen Schritt zur Synthese eines selbstheilenden Materials mit fluoreszierenden Eigenschaften.

Farbwechsel zeigt Schäden im Material an

Fluoreszenz zeigt überbeanspruchte Teile an

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"Fluoreszierende Materialien sind sehr nützlich, da sie für organische Leuchtdioden (OLEDs), organische Feldeffekttransistoren (OFETs) und Solarzellen verwendet werden können. Eines der Hauptprobleme dieser Materialien ist jedoch ihre kurze Lebensdauer während der Nutzung. Unser neues Material dürfte eine längere Lebensdauer der Produkte und eine höhere Zuverlässigkeit ermöglichen", sagt Masayoshi Nishiura, Hous Mitarbeiter bei dieser Studie.

Es gab eine zusätzliche Überraschung. Das resultierende Copolymer erwies sich nicht nur als zäh, sondern zeigte auch eine Selbstheilung ohne externe Stimuli oder Energie. Seine Zugfestigkeit erholte sich innerhalb von 24 Stunden vollständig, was eine hohe Selbstheilungsgeschwindigkeit im Vergleich zu binären Copolymeren beweist. Das Material war in der Lage, sich sogar in Wasser, sauren und alkalischen Lösungen selbst zu heilen, was ihm potenzielle Einsatzmöglichkeiten in einer Vielzahl von Umgebungen eröffnet.

Die Netzwerkstruktur des Copolymers mit physikalischen Vernetzungspunkten, die von den Styrylpyren-Einheiten und kristallinen Ethylen-Ethylen-Nanodomänen gebildet werden, und weichen Segmenten, die aus den alternierenden Einheiten bestehen, erleichterte die Selbstreparatur.

Das Material wies noch eine weitere Eigenschaft auf. Dem Forscherteam gelang es, durch Photolithographie ein zweidimensionales Bild auf die fluoreszierende selbstheilende Folie zu übertragen. Obwohl das Bild unter natürlichem Licht unsichtbar blieb, wurde es unter ultraviolettem Licht erkennbar, was auf mögliche Anwendungen der Folie als Informationsspeicher hindeutet. Die Folie behielt ihre hervorragenden selbstheilenden und elastomeren Eigenschaften auch mit den Bildern bei.

"Das Material, das wir durch eine einstufige Reaktion synthetisiert haben, gibt uns die Möglichkeit, seine optischen und mechanischen Eigenschaften zu kontrollieren, indem wir die Zusammensetzung des Monomers anpassen. Wir glauben, dass es wesentlich zur Entwicklung neuartiger funktioneller Materialien mit hohen Selbstheilungsfähigkeiten in verschiedenen praktischen Umgebungen beitragen könnte", sagt Hou. Diese Forschung steht im Einklang mit den Zielen für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen (SDGs) und trägt insbesondere zu Ziel 12 bei: "Nachhaltige Konsum- und Produktionsmuster sicherstellen".

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Originalveröffentlichung

Lin Huang, Yang Yang, Jingjing Shao, Gang Xiong, Haobing Wang, Masayoshi Nishiura, Zhaomin Hou; "Synthesis of Tough and Fluorescent Self-Healing Elastomers by Scandium-Catalyzed Terpolymerization of Pyrenylethenylstyrene, Ethylene, and Anisylpropylene"; Journal of the American Chemical Society, Volume 146, 2024-1-18

https://www.chemie.de/news/1182833/hell-und-robust-ein-material-das-sich-selbst-heilt-und-leuchtet.html