Wundermaterial

2D-Polymer ist härter als Stahl

Robert Klatt

Ein neuer Kunststoff ist härter als kugelsicheres Glas und hat eine höhere Streckfestigkeit als Baustahl. Das Material könnte zum Beispiel als Schutzsicht für Autos oder als Baumaterial für Gebäude verwendet werden.

Cambridge (U.S.A.). In den letzten Jahren hat die Forschung eine Reihe von Supermaterialien entwickelt, die durch ihre spezielle Molekülstruktur besonders Eigenschaften besitzen. Interessant sind vor allem zweidimensionale Materialien wie Graphen, deren Merkmale sich deutlich von dreidimensionalen Materialien unterscheiden. Die Wissenschaft nimmt schon seit Langem an, dass auch Polymere in ihrer zweidimensionalen Form gute mechanische Eigenschaften haben könnten.

In Vergleich zu herkömmlichem Plastik könnten solche Kunststoffe etwa eine höhere Festigkeit und Steife bei einer geringeren Dichte besitzen. Zweidimensionalen Polymerfilme konnten bisher jedoch noch nicht erzeugt werden.

Ausrichtungen der Bindungen

Die Ursache dafür ist die typische Herstellung der Polymere, bei der normalerweise die Grundbausteine unter Bedingungen vermischt werden, unter denen sie sich selbst miteinander vernetzen. Es ist dadurch jedoch schwer kontrollierbar, wie die Bindungen ausgerichtet sind.

„Sobald bei einer polymerisierenden Scheibe auch nur ein Bindungsarm aus der Ebene hinausragt, wird die 3D-Struktur schneller wachsen als die erwünschte zweidimensionale Ebene“, erklärt Yuwen Zeng vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). Einige Wissenschaftler hielten es deshalb sogar für unmöglich, zweidimensionale Polymerschichten zu produzieren. Auch die jahrzehntelangen erfolglosen Versuche sprachen bisher dafür.

2D-Polymer erzeugt

Laut einer Publikation im Fachmagazin Nature ist es dem Team um Zeng nun gelungen, eine zweidimensionale Polymerschicht zu erzeugen. Dies gelang, weil sie Grundbausteine wählten, bei denen eine flächige Anordnung der Bindungen erfolgt. „Unsere Hypothese war, dass eine starke Amid-Aromaten-Konjugation die Rotation von Bindungen aus der Ebene hemmt“, erklären die Forscher.

Verwendet haben die Chemiker dazu das stickstoffhaltige Ringmolekül Melamin und Pyridin, deren Reaktion miteinander so schnell abläuft, dass sie einlagige Schichten bilden. „Dieser Prozess passiert in Lösung spontan und wir können so folienartige Polymerfilme herstellen, in denen die Moleküle zweidimensional aneinandergereiht sind“, so Michael Strano. Im Anschluss können Wasserstoffbrücken diese zweidimensionalen Netzwerke miteinander verbinden und so ein mehrschichtiges Material erzeugen.

2DPA-1 ist stabiler aus Baustahl

In anschließenden Experimenten konnten die Forscher bestätigen, dass das 2D-Polymer die erwünschten Eigenschaften besitzt. Um mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops das 2DPA-1 getaufte Material einzudrücken, sind 12,7 Gigapascal nötig. Dies ist ein vier- bis sechsmal höherer Druck als bei kugelsicherem Glas.

Die Biegefestigkeit des Materials 2DPA-1 ist noch größer. „2DPA-1 zeigte eine Streckfestigkeit von 488 Megapascal. Das ist fast doppelt so viel wie bei Baustahl, obwohl es nur ein Sechstel von dessen Dichte hat“, erklären die Wissenschaftler. Überdies ist das 2D-Polymer für Gase und Wasser undurchlässig, obwohl es aus einem scheinbar löchrigen Molekülnetz besteht.

Zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten

Laut den Entwicklern hat das Polymer aufgrund seiner ungewöhnlichen Eigenschaften zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. „Normalerweise denkt man bei Plastik nicht an etwas, mit dem man ein Gebäude stützen könnte. Aber mit diesem Material sind ganz neue Dinge möglich“, erklärt Strano. Die ultradünnen Polymerfilme können etwa als Schutzschicht für Displays und Autoteile oder als Baumaterial für Brücken verwendet werden.

Auch die Produktion ist relativ simpel und kann laut den Forschern in einem industriellen Maßstab erfolgen, weil die Moleküle unter den passenden Bedingungen quasi von selbst das Polymer bilden. „Damit haben wir planare Moleküle, die sich leicht zu einem sehr starken, aber sehr dünnen Material machen lassen“, konstatiert Strano.

Nature, doi: 10.1038/s41586-021-04296-3

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