In einer bemerkenswerten Leistung der Chemie hat ein Forschungsteam unter der Leitung der Northwestern University das erste zweidimensionale (2D) mechanisch ineinandergreifende Material entwickelt.
Das nanoskalige Material ähnelt den ineinandergreifenden Gliedern eines Kettenhemds und weist außergewöhnliche Flexibilität und Festigkeit auf. Mit weiteren Arbeiten ist es vielversprechend für den Einsatz in leistungsstarken, leichten Körperpanzerungen und anderen Anwendungen, die leichte, flexible und robuste Materialien erfordern.
Veröffentlichung am Freitag (17. Januar) in der Zeitschrift WissenschaftDie Studie markiert mehrere Neuheiten auf diesem Gebiet. Es ist nicht nur das erste mechanisch ineinandergreifende 2D-Polymer, sondern das neuartige Material enthält auch 100 Billionen mechanische Bindungen pro Quadratzentimeter – die höchste Dichte mechanischer Bindungen, die jemals erreicht wurde. Die Forscher stellten dieses Material mithilfe eines neuen, hocheffizienten und skalierbaren Polymerisationsverfahrens her.
„Wir haben eine völlig neue Polymerstruktur geschaffen“, sagte William Dichtel von Northwestern, der korrespondierende Autor der Studie. „Es ähnelt einem Kettenhemd insofern, als es nicht leicht zerreißen kann, da jede der mechanischen Bindungen ein wenig Spielraum zum Gleiten hat. Wenn man daran zieht, kann es die ausgeübte Kraft in mehrere Richtungen ableiten. Und wenn man es zerreißen möchte, man müsste es an vielen, vielen verschiedenen Stellen brechen. Wir erforschen weiterhin seine Eigenschaften und werden es wahrscheinlich noch Jahre lang untersuchen.
Dichtel ist Robert L. Letsinger-Professor für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences und Mitglied des International Institute of Nanotechnology (IIN) und des Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Madison Bardot, Ph.D. Kandidat in Dichtels Labor und IIN Ryan Fellow, ist der Erstautor der Studie.
Einen neuen Prozess erfinden
Seit Jahren versuchen Forscher, mechanisch miteinander verbundene Moleküle mit Polymeren zu entwickeln, fanden jedoch heraus, dass es nahezu unmöglich ist, Polymere dazu zu bringen, mechanische Bindungen einzugehen.
Um diese Herausforderung zu meistern, wählte Dichtels Team einen völlig neuen Ansatz. Sie begannen mit X-förmigen Monomeren – den Bausteinen von Polymeren – und ordneten sie in einer spezifischen, hochgeordneten Kristallstruktur an. Anschließend ließen sie diese Kristalle mit einem anderen Molekül reagieren, um Bindungen zwischen den Molekülen innerhalb des Kristalls herzustellen.
„Ich zolle Madison große Anerkennung, weil sie dieses Konzept zur Bildung des mechanisch verzahnten Polymers entwickelt hat“, sagte Dichtel. „Es war eine risikoreiche und lohnende Idee, bei der wir unsere Annahmen darüber, welche Arten von Reaktionen in molekularen Kristallen möglich sind, in Frage stellen mussten.“
Die resultierenden Kristalle bestehen aus Schichten und Schichten zweidimensionaler, ineinandergreifender Polymerschichten. Innerhalb der Polymerfolien sind die Enden der X-förmigen Monomere mit den Enden anderer X-förmiger Monomere verbunden. Dann werden weitere Monomere durch die Lücken dazwischen eingefädelt. Trotz seiner starren Struktur ist das Polymer überraschend flexibel. Dichtels Team fand außerdem heraus, dass das Auflösen des Polymers in Lösung dazu führte, dass sich die Schichten aus ineinandergreifenden Monomeren voneinander lösten.
„Nachdem das Polymer geformt ist, gibt es nicht mehr viel, was die Struktur zusammenhält“, sagte Dichtel. „Wenn wir ihn also in ein Lösungsmittel geben, löst sich der Kristall auf, aber jede 2D-Schicht hält zusammen. Wir können diese einzelnen Schichten manipulieren.“
Um die Struktur im Nanomaßstab zu untersuchen, verwendeten Mitarbeiter der Cornell University unter der Leitung von Professor David Muller modernste Elektronenmikroskopietechniken. Die Bilder zeigten den hohen Kristallinitätsgrad des Polymers, bestätigten seine ineinandergreifende Struktur und zeigten seine hohe Flexibilität.
Dichtels Team stellte außerdem fest, dass das neue Material in großen Mengen hergestellt werden kann. Frühere Polymere mit mechanischen Bindungen wurden typischerweise in sehr kleinen Mengen mit Methoden hergestellt, die wahrscheinlich nicht skalierbar sind. Dichtels Team hingegen stellte ein halbes Kilogramm ihres neuen Materials her und geht davon aus, dass noch größere Mengen möglich sind, wenn sich ihre vielversprechendsten Anwendungen herauskristallisieren.
Verleiht zähen Polymeren Festigkeit
Inspiriert von der inhärenten Stärke des Materials fügten Dichtels Mitarbeiter an der Duke University unter der Leitung von Professor Matthew Becker es Ultem hinzu. Ultem gehört zur gleichen Familie wie Kevlar und ist ein unglaublich starkes Material, das extremen Temperaturen sowie sauren und ätzenden Chemikalien standhält. Die Forscher entwickelten ein Verbundmaterial aus 97,5 % Ultem-Fasern und nur 2,5 % 2D-Polymer. Dieser kleine Prozentsatz erhöhte die Gesamtstärke und Zähigkeit von Ultem dramatisch.
Dichtel geht davon aus, dass das neue Polymer seiner Gruppe eine Zukunft als Spezialmaterial für leichte Körperpanzerung und ballistische Stoffe haben könnte.
„Wir müssen noch viel mehr Analysen durchführen, aber wir können sagen, dass es die Festigkeit dieser Verbundmaterialien verbessert“, sagte Dichtel. „Fast jede Immobilie, die wir vermessen haben, war in irgendeiner Weise außergewöhnlich.“
Durchdrungen von der Geschichte des Nordwestens
Die Autoren widmeten das Papier dem Andenken des ehemaligen Nordwestchemikers Sir Fraser Stoddart, der in den 1980er Jahren das Konzept mechanischer Bindungen einführte. Letztendlich entwickelte er diese Bindungen zu molekularen Maschinen, die auf kontrollierbare Weise wechseln, rotieren, sich zusammenziehen und ausdehnen. Stoddart, der letzten Monat verstorben ist, erhielt für diese Arbeit den Nobelpreis für Chemie 2016.
„Moleküle fädeln sich nicht einfach von alleine durcheinander, deshalb hat Fraser geniale Methoden entwickelt, um ineinandergreifende Strukturen zu modellieren“, sagte Dichtel, der als Postdoktorand in Stoddarts Labor an der UCLA arbeitete. „Aber selbst diese Methoden sind nicht mehr praktisch genug, um sie bei großen Molekülen wie Polymeren anzuwenden. In unserer vorliegenden Arbeit werden die Moleküle in einem Kristall fest an ihrem Platz gehalten, der die Bildung einer mechanischen Bindung um jedes einzelne herum fördert.“
„Diese mechanischen Verbindungen haben bei Northwestern also eine lange Tradition und wir freuen uns darauf, ihre Möglichkeiten auf eine Weise zu erkunden, die bisher noch nicht möglich war.“
Die Studie „Mechanically interlocked two-dimensional polymers“ wurde hauptsächlich von der Defense Advanced Research Projects Agency (Vertragsnummer HR00112320041) und Northwesterns IIN (Ryan Fellows Program) unterstützt.
