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Selbstorganisierende Polymere auf Silikonbasis

24.10.2018

Fumitaka Ishiwari

1,8,13-Trip ist ein Triptycenmolekül, das sich selbst zu 2D hexagonalen Arrays zusammensetzen kann, die sich dann übereinander stapeln, um eine periodische Polymerstruktur zu bilden, wie in der Mitte der Abbildung dargestellt. Können sich Silikon (PDMS)-Ketten mit den mit Triptyzenmolekülen substituierten Enden ähnlich selbst zusammensetzen?

Fumitaka Ishiwari

Die mit Triptycen modifizierten PDMS-Moleküle könnten sich selbst zu den gewünschten 2D-Sechseck-Arrays zusammensetzen (siehe oben rechts in der Abbildung) und dann zu einer 2D+1D-Struktur gestapelt (siehe unten rechts in der Abbildung), die einen dramatischen Anstieg der Viskosität bewirkt. Dadurch wurde aus dem flüssigen PDMS ein hochviskoser Feststoff.

Wissenschaftler des Tokyo Institute of Technology, RIKEN und der Tohoku University haben eine Silikon-Polymerkette entwickelt, die sich selbst zu einer periodischen 3D-Struktur zusammenfügen kann. Dies gelang ihnen, indem sie mit ihren kürzlich vorgestellten selbst zusammengesetzten Triptycenmolekülen die Kettenenden der Polymerketten modifizierten.

Die Entwicklung neuartiger weicher Materialien für verschiedene optische, mechanische, Wärme-/Ladungstransport- und nanotechnologische Anwendungen würde von Techniken zur Herstellung von Polymerbaugruppen in periodisch geordneten Strukturen stark profitieren. Solche geordneten Strukturen entstehen durch molekulare Gerüste oder durch Modifikation bestimmter Teile der verwendeten Polymere, so dass sie sich selbst in die gewünschte Form bringen.

Heutzutage sind die Forscher jedoch der Meinung, dass die terminale Funktionalisierung (Modifizierung beider Enden einer Polymerkette) für die Schaffung periodisch geordneter Strukturen nicht sehr effektiv ist. Deshalb waren Wissenschaftler des Tokyo Institute of Technology unter der Leitung von Fumitaka Ishiwari daran interessiert, eines ihrer kürzlich entwickelten Triptycenmoleküle, genannt 1,8,13-Trip, erneut zu besuchen. Das Team hatte bereits gezeigt, dass sich dieses Molekül zuverlässig selbst zu einer periodischen 3D-Struktur aus parallelen 2D-Platten zusammenfügen kann, die durch einen festen Abstand voneinander getrennt sind. "Wir wollten untersuchen, ob die starke Selbstorganisationsfähigkeit dieses Triptycenmotivs auch in Polymersystemen funktionieren würde", erklärt Ishiwari.

Daher entwarf das Team Polydimethylsiloxanketten (PDMS), bei denen die Enden durch ein Triptycenmoleküle ersetzt wurden. Sie hofften, dass diese modifizierten Silikonketten auch das vielversprechende Selbstaufbauverhalten zeigen würden, das allein für 1,8,13-Trip beobachtet wurde, und mussten daher viele verschiedene Experimente durchführen, um es zu beweisen, darunter Synchrotron-Strahlung Röntgenbeugung / -streuung mit der BL45XU-Strahllinie bei SPring-8 (Hyogo, Japan), Differentialscanning-Kalorimetrie und Spektroskopiemessungen. Glücklicherweise schienen alle Ergebnisse darauf hinzudeuten, dass die modifizierten PDMS-Ketten sich selbst in die 3D-Periodenstruktur eingebaut hatten. Dies wurde auch durch die Analyse der Unterschiede in den Strömungseigenschaften der modifizierten PDMS-Ketten und der regulären PDMS-Ketten bestätigt.

Die Ergebnisse des Teams sind vielversprechend, denn das verwendete Triptycenmotiv ist einfach und leicht in kurzen Schritten zu synthetisieren und kann ein leistungsfähiges Werkzeug für die Organisation von Polymeren und die Stärkung ihrer strukturellen und physikalischen Eigenschaften sein. "Der vorliegende Befund wird die allgemeine Vorstellung aktualisieren, dass die terminale Funktionalisierung nicht wirksam ist, um die kontrollierte Montage von Polymeren in eine periodisch geordnete Struktur zu erreichen", schließt Ishiwari. Das Team wird die Selbstorganisation von Polymeren weiter untersuchen, und es ist zu hoffen, dass die Ergebnisse zur Entwicklung neuer Materialien und Synthesetechniken führen werden.

Professor Masaki Takata von der Tohoku University führte den Erfolg der Studie auf die gemeinsamen Bemühungen des Network Joint Research Center for Materials and Devices und der groß angelegten Synchrotronstrahlungsanlage SPring-8 unter der Leitung von RIKEN zurück. Er fügte hinzu, dass "dies hoffentlich auch eine große Nachfrage nach weiteren hochwertigen Materialien auslösen würde, die in der 3GeV-Synchrotronanlage der nächsten Generation entwickelt werden können, die im nächsten Jahr mit dem Bau an der Tohoku University beginnen wird".

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