Chemiker entwickeln intelligente kunststoffähnliche Materialien, die durch Licht oder sanfte Wärme aktiviert werden
Sie stellen die jahrzehntelange Arbeit an "schlafenden" Katalysatoren auf den Kopf, indem sie "latente Monomere" verwenden, die sich nur bei Bedarf verfestigen
Anzeigen
Chemiker der Ben-Gurion-Universität des Negev haben ein "intelligentes" Polymer entwickelt, das die industrielle Aushärtung, den 3D-Druck und Reparaturen einfacher, sicherer und energieeffizienter machen könnte, da die Eigenschaften der Materialien auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden können. Ihre Ergebnisse wurden letzten Monat in Nature Chemistry veröffentlicht .
Prof. Yossi Weizmann
Amit Paor/BGU
Fast dreißig Jahre lang konzentrierten sich Forscher, die kontrollieren wollten, wann und wo Kunststoffe aushärten, auf die Entwicklung spezieller "schlafender" Katalysatoren, d. h. Moleküle, die inaktiv bleiben, bis sie durch Licht, Wärme oder ein anderes Signal ausgelöst werden. Diese Katalysatoren sind oft empfindlich, teuer und schwierig zu handhaben.
Das BGU-Team stellte diese Logik auf den Kopf, wie der Doktorand Nir Lemcoff, einer der Hauptautoren der Arbeit, beschrieb: "Diese Arbeit zeigt eine neue Denkweise über ein allgemeines Problem in der Polymerwissenschaft und wird hoffentlich Wissenschaftler auf diesem Gebiet dazu inspirieren, die Herausforderungen in ihrer eigenen Arbeit mit einem neuen Blickwinkel zu betrachten".
Anstatt zu versuchen, den Ein/Aus-Schalter im Katalysator zu platzieren, versteckten sie ihn in den Kunststoffbausteinen selbst und schufen so genannte "latente Monomere". Dabei handelt es sich um stabile flüssige Bausteine, die wochenlang inaktiv bleiben. Erst wenn sie Licht oder einer leichten Erwärmung ausgesetzt werden, verwandeln sie sich in ein festes, kunststoffähnliches Material.
Diese neuen latenten Monomere werden aus kleinen Molekülen namens Norbornadienen gebildet. Norbornadiene können durch ein Standardverfahren zur Kunststoffherstellung namens ROMP (ringöffnende Metathesepolymerisation) geöffnet und zu langen Ketten verknüpft werden. Wenn sie mit UV-Licht bestrahlt werden, wandeln sie sich in eine andere Form um, die Quadricyclan genannt wird und im Grunde der "ausgeschaltete" Zustand ist: Sie sind inaktiv und bilden keine Ketten. Später wird Quadricyclan durch sanftes Erhitzen mit winzigen Goldnanopartikeln wieder in das reaktive Norbornadien umgewandelt, so dass die Kettenbildung bei Bedarf erneut beginnen kann. Da Chemiker leicht viele verschiedene Norbornadiene herstellen können, könnte dieses schaltbare System Hunderte von neuen kunststoffähnlichen Materialien hervorbringen, darunter auch solche, die mit den bisherigen Methoden nur sehr schwer herzustellen sind.
"Anstelle eines 'schlafenden' Katalysators haben wir 'schlafende' Bausteine des Materials selbst geschaffen", erklärt Prof. Yossi Weizmann vom Fachbereich Chemie der Ben-Gurion-Universität, der die Studie leitete. "Die Mischung kann wochenlang ruhig im Regal liegen und wird erst dann zu einem Feststoff, wenn man sie mit Licht bestrahlt oder erwärmt. Diese Art der bedarfsgesteuerten, lichtgesteuerten Aushärtung könnte industrielle Produktions-, Druck- und Reparaturprozesse sicherer, einfacher und energieeffizienter machen."
Die neuen Flüssigkeiten enthalten drei wichtige Bestandteile:
- Bausteine, die sich zu langen kunststoffähnlichen Ketten verbinden können
- Ein industrieller Standardkatalysator, der die Kettenbildungsreaktion antreibt
- Winzige Goldnanopartikel, die als mikroskopisch kleine Heizer fungieren, wenn sie mit Nahinfrarotlicht beleuchtet werden
In ihrem "schlafenden" Zustand sind die latenten Monomere in einer Form eingeschlossen, die keine Reaktion zulässt, obwohl der Katalysator bereits vorhanden ist. Wenn die Forscher die Goldnanopartikel mit Licht bestrahlen, erwärmen sie ihre unmittelbare Umgebung und schalten die Monomere in eine "aktive" Form um, die sich schnell zu einem festen Material verbindet. Derselbe Schalter kann auch durch herkömmliche Heizung umgelegt werden, allerdings nicht so effizient.
Da nichts passiert, bis der Auslöser betätigt wird, könnten die Hersteller im Prinzip:
- eine gebrauchsfertige Flüssigformulierung wochenlang lagern und versenden, ohne dass sie eindickt oder aushärtet
- Teile zuerst füllen, beschichten oder bedrucken und erst dann die Aushärtung in ausgewählten Bereichen durch Lichtmuster oder Masken einschalten
- Verringerung von Abfall und Energieverbrauch, da nicht ständig neue Chargen gemischt oder ganze Mengen über lange Zeiträume erhitzt werden müssen
Die Studie zeigt auch, dass diese Idee der schaltbaren Bausteine viel mehr kann, als nur eine Reaktion ein- und auszuschalten. Indem das Team Bausteine, die von Anfang an aktiv sind, mit anderen mischt, die im Schlaf bleiben, bis sie erhitzt werden, kann es Kunststoffe herstellen, deren Ketten zwei verschiedene Abschnitte haben, was Materialien mit kombinierten Eigenschaften in einem Produkt ergibt. Außerdem können sie zunächst ein weiches Material herstellen, das sich leicht formen lässt, und es später in einem einzigen Prozess zu einem härteren und haltbareren Feststoff verfestigen.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
