Innovative Polymerverbindungen 06.05.2019, 12:02 Uhr

Neuer Kunststoff macht Metall Konkurrenz

Forscher am Massachusetts Institute of Technology entwickeln neuartige Polymerverbindungen, deren Eigenschaften Metall schon bald in den Schatten stellen könnten.

Foto: panthermedia.net / spopov

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Am Massachusetts Institute of Technology, kurz MIT, ist es Forschern kürzlich gelungen, einen innovativen Kunststoff zu entwickeln. Dieser unterscheidet sich vor allem in seinen Eigenschaften von bisherigen Kunststoffen und macht nun sogar Metall ernsthafte Konkurrenz. Aufgrund der Wärmeleitfähigkeit könnten die Polymere schon bald ein wichtiger Bestandteil in der Produktion von Mikroprozessoren werden und sogar Einfluss auf die Entwicklung von neuen Fahrzeugen nehmen. Doch wie genau wurde der Kunststoff entwickelt und wodurch unterscheidet er sich in seinen Eigenschaften von Metallen?

Wie wurde der Kunststoff entwickelt?

Der innovative Kunststoff, der am MIT entwickelt wurde, basiert zunächst auf einem Polyethylenpulver, das bereits seit einigen Jahren im Fokus der Forscher steht. Dessen Eigenschaften sind zunächst alles andere als ideal, um Wärme zu leiten. Zwar war die Eigenschaft grundlegend vorhanden, jedoch gelang es dem Team über einen langen Zeitraum nicht, diese Eigenschaft auch dauerhaft aufrecht zu halten. Ausschlaggebend hierfür war die Struktur des fertigen Kunststoffes. Dieser bestand zunächst aus einer Vielzahl ungeordneter Molekülketten. Durch das somit entstandene Gewirr fanden sich häufig große Zwischenräume zwischen den Molekülen, wodurch die Wärmeleitfähigkeit abnahm.

Um die Molekülketten ordnen und gezielt ausrichten zu können, suchte das Forscherteam des MIT nach Möglichkeiten und wurden letztlich fündig. Sie verrührten das Polyethylenpulver zunächst mit einem speziellen Lösungsmittel. Anschließend wurde das Gemisch auf eine Platte gespritzt. Die Platte musste möglichst kalt sein, so dass der Kunststoff schnell aushärten konnte. Hierfür wurde die Platte mittels flüssigem Stickstoff auf minus 196 Grad Celsius heruntergekühlt. In der Folge bildete sich ein dünner aber gleichmäßiger Film. Um den Film deutlich dünner gestalten zu können, wurde er durch die Forscher gewalzt und gestreckt. Währenddessen wurde festgestellt, dass auf diesem Wege vor allem die Wärmeleitfähigkeit des Materials signifikant erhöht werden kann. Die neu geschaffene Struktur des Kunststoffs ist so winzig, dass sie bislang nur mithilfe einer Hochleistungsröntgenquelle sichtbar gemacht werden konnte.

Wärmeleitfähigkeit übertrifft bereits Stahl

Der neuartige dünne Kunststoff verfügt bisher über eine Wärmeleitfähigkeit von 60 Watt pro Meter und Kelvin. Damit ist er bereits leitfähiger als Stahl, der nur bis zu 50 Watt erreicht. Kupfer weist eine maximale Wärmeleitfähigkeit von 380 Watt pro Meter und Kelvin auf. Zwar fehlen noch mehrere Hundert Watt, bis der Kunststoff die Leitfähigkeit von Kupfer erreicht, dennoch verfolgen die Wissenschaftler des MIT einen visionären Plan. Sie wollen die Forschung weiter vorantreiben und haben sich selbst das Ziel gesetzt, entscheidend dabei mitwirken zu können, Metall irgendwann vollständig durch Kunststoff ersetzen zu können. Polymere weisen 2 große Vorteile gegenüber Metall auf: Sie sind deutlich leichter, während sie auf der anderen Seite im Vergleich zu Metall korrosionsfest sind. Bauteile auf Basis der Polymere wären künftig somit deutlich widerstandsfähiger und langlebiger.

Erste Einsätze des neuen Kunststoffs sollen bereits in naher Zukunft möglich sein. Am MIT geht die Forschergruppe um Professor Gang Chen davon aus, dass die Polymere schon bald genutzt werden, um die Wärme von Mikroprozessoren in Laptops oder Computern abzuleiten. Ferner könnte der Kunststoff auch zeitnah in der Autoindustrie zum Einsatz kommen. Anstelle von Metallen könnte die Polymerverbindung Teil der Wärmetauscher in Fahrzeugen werden.

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Ausblick: Wird Metall schon bald überflüssig?

Die ersten Erfolge der Forschungsgruppe am MIT haben gezeigt, zu welchen Leistungen der neue Kunststoff fähig ist. Insbesondere im Bereich von Kleinstbauteilen in der Technik könnte das Polymer vor einer großen Zukunft stehen. Inwiefern Metall auch im größeren Umfang ersetzt werden kann, ist derzeit noch fraglich. Schließlich kann der Kunststoff bislang nur sehr dünn gefertigt werden.

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