Verwobene Polymere ermöglichen leichte und extrem starke Panzerung

Forscher haben ein extrem festes, "zweidimensionales" Material entwickelt. Auf einer Ebene sind organische Moleküle direkt miteinander verwoben. Dies bringt eine so hohe Stabilität, dass das Material beispielsweise eine sehr leistungsstarke Schutzkleidung ermöglichen würde.

Durchbruch bei Molekül-Strukturen

Forscher versuchten über Jahrzehnte, die Bindungen in Polymeren zu integrieren, stießen jedoch immer wieder an Grenzen, da die herkömmliche organische Chemie keine ausreichend großen Molekülringe für das Durchfädeln anderer Moleküle erzeugen konnte.

Das Team um Professor William Dichtel von der Northwestern University meisterte diese Herausforderung nun aber, indem es Ringe mit 40 Atomen Durchmesser in einem innovativen Ansatz formte. "Unsere Methode hat grundlegende Annahmen darüber infrage gestellt, wie Moleküle reagieren", erklärte Dichtel.


Die Wissenschaftler entwickelten einen neuartigen Ansatz: Sie nutzten x-förmige Monomere als Bausteine, ordneten sie in kristallinen Strukturen und verbanden sie mithilfe eines zusätzlichen Moleküls. Das Resultat waren Polymerblätter mit rekordverdächtigen 100 Billionen mechanischen Bindungen pro Quadratzentimeter. Schema der Molekül-Anordnung Die besondere Struktur des Materials ermöglicht es, die Polymerblätter aufzulösen und individuell zu manipulieren. Dank der mechanischen Bindungen bleibt das Material flexibel, verhärtet sich jedoch bei stärkerer Belastung - ein Phänomen, das als "Strain Hardening" bekannt ist und in der Entwicklung von widerstandsfähigen Materialien von Interesse ist.

Massenproduktion machbar

Durch die Integration des neuen Polymers in bestehende Materialien wie Ultem - ein hitzebeständiges, chemikalienresistentes Kevlar-ähnliches Material - steigerten die Forscher dessen Festigkeit und Zähigkeit erheblich, obwohl nur 2,5 Prozent des neuen Polymers hinzugefügt wurden. Dies könnte bahnbrechende Anwendungen bei Schutzkleidung oder ballistischer Ausrüstung ermöglichen.

Ein weiterer Durchbruch: Die neue Methode ermöglichte es, fast ein halbes Kilogramm des Materials herzustellen, was auf eine hohe Skalierbarkeit hindeutet. "Die größte Herausforderung war, die mechanisch ineinandergreifende Struktur eindeutig nachzuweisen", so Dichtel. Der Erfolg gelang durch die Zusammenarbeit von Experten aus Chemie, Elektronenmikroskopie und Polymertechnik.


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