Foto: Christine Daniloff, MIT
Die Arbeit von Michael Strano, Professor of Chemical Engineering am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und seinem Team dürfte manche Kolleginnen und Kollegen ziemlich überraschen. Strano hat sich nämlich dem Thema Polymere gewidmet und eine kleine Sensation geschafft. „Normalerweise denken wir bei Kunststoffen nicht an etwas, mit dem man ein Gebäude stützen kann, aber mit diesem Material werden ganz neue Dinge möglich“, sagt er. „Es hat sehr ungewöhnliche Eigenschaften und wir sind sehr begeistert davon.“
Leistungsfähige Kunststoffe aus der digitalen Werkstofffabrik
Das Potenzial der Polymere für den Leichtbau
Doch zunächst ein Schritt zurück: Es geht um Polymere. Sie bestehen grundsätzlich aus Baustein-Ketten, die Fachleute als Monomere bezeichnen. Bei der Kunststoff-Herstellung werden, vereinfacht gesagt, immer neue Moleküle an die Enden dieser Ketten angehängt. Sie sind in der Industrie bekanntermaßen sehr beliebt, weil sie sich unkompliziert, etwa durch Spritzgießen, zu dreidimensionalen Objekten formen lassen, beispielsweise zu Plastikflaschen.
Expertinnen und Experten in diesem Bereich halten das Potenzial der Polymere für noch größer. In der Fachwelt ist die Hypothese bekannt, dass extrem leichte und gleichzeitig feste Materialien entstehen müssten, wenn es gelänge, die Polymere in einer zweidimensionalen Schicht wachsen zu lassen. So gut das klingt, in der Praxis ist es bisher nie wirklich gelungen, das zu erreichen. Denn wenn sich nur ein einziges Monomer nach oben oder unten dreht und damit aus der plattenartigen Struktur ausbricht, funktioniert dieser Ansatz nicht mehr. Viele Chemieingenieurinnen und -ingenieure haben das Thema daher inzwischen ad acta gelegt und sich anderen Forschungsbereichen gewidmet – aber nicht Michael Strano.
Neues Verfahren schafft zweidimensionale Polymere
Seine Hartnäckigkeit wurde belohnt. Zusammen mit seinen Kolleginnen und Kollegen hat er ein neues Polymerisationsverfahren entwickelt, das zu einer zweidimensionalen Folie führt, zu einem sogenannten Polyaramid. Die Monomerbausteine haben sie aus einer Verbindung namens Melamin hergestellt, die einen Ring aus Kohlenstoff- und Stickstoffatomen enthält. Unter den richtigen Bedingungen können diese Monomere in zwei Dimensionen wachsen und Scheiben bilden. Diese Scheiben stapeln sich übereinander und werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Schichten zusammengehalten, was die Struktur nach Angaben der Forschenden sehr stabil und fest macht.
„Anstatt eine spaghettiartige Molekülkette zu erzeugen, können wir also eine flächige Molekülebene herstellen, in der sich die Moleküle in zwei Dimensionen miteinander verhaken“, erklärt Strano. Dieser Mechanismus setze in der verwenden Lösung spontan ein. „Nachdem wir das Material synthetisiert hatten, konnten wir ganz einfach dünne Schichten aufbringen, die außerordentlich stark sind.“
Die spontane Zusammensetzung des Materials in der Lösung führt zu einem sehr einfachen Herstellungsverfahren. Werden größere Mengen benötigt, reicht es aus, mehr Ausgangsstoffe hinzuzufügen.
Leichtbau-Material hält doppelt so viel aus wie Stahl
Die Eigenschaften des neuen Materials sind vielversprechend. Der Elastizitätskoeffizient ist vier- bis sechsmal höher als der von kugelsicherem Glas – er sagt aus, wie viel Kraft erforderlich ist, um ein Material zu verformen. Noch schwerer wäre es, das Material zu brechen. Dafür würde etwa doppelt so viel Kraft benötigt wie bei Stahl. Dabei ist das neue Polymer deutlich leichter – die Dichte von Stahl ist ungefähr sechsmal so hoch. Gleichzeitig ist es undurchlässig für Gase.
Entsprechend breit gefächert sind die möglichen Anwendungsgebiete des neuen Leichtbaumaterials. „Diese Eigenschaften könnten es uns ermöglichen, ultradünne Beschichtungen herzustellen, die das Eindringen von Wasser oder Gasen vollständig verhindern“, sagt Strano. „Solch eine Barrierebeschichtung könnte zum Schutz von Metall in Autos und anderen Fahrzeugen oder von Stahlkonstruktionen verwendet werden.“ Es würde die Konstruktion stützen und zugleich schützen. Strano kann sich das Polymer auch als Beschichtung von Mobiltelefonen oder sogar als Baumaterial für Brücken vorstellen.
Bauen wird absurd teuer; mit möglichen Folgen fürs Klima
Strano und sein Team wollen nun im nächsten Schritt herausfinden, warum dieses spezielle Polymer in der Lage ist, 2D-Schichten zu bilden. Außerdem testen sie Veränderung seiner molekularen Zusammensetzung, um weitere Materialien zu entwickeln. Auf das neue Verfahren haben sie bereits ein Patent angemeldet.
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