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Forscher haben ein Molekül entwickelt, das, wenn es einem Polymer hinzugefügt wird, die Haltbarkeit des Materials erhöht, indem es es hinsichtlich seiner Fähigkeit, Temperaturschwankungen standzuhalten, eher einem Metall ähnelt. Sie sagen, es könnte die Haltbarkeit von allem erhöhen, von Handyhüllen aus Kunststoff bis hin zu Raketen.

Aufgrund ihrer geringen Kosten, ihrer geringen Dichte, ihrer guten thermischen und elektrischen Isolationseigenschaften und ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit sind Polymere in fast allen Gegenständen des täglichen Lebens enthalten. Anhaltende Einwirkung von Hitze und Kälte führt jedoch dazu, dass sich Materialien, einschließlich Polymere, ausdehnen und zusammenziehen, was letztendlich zu einer Verschlechterung führt.

Unterschiedliche Materialien dehnen sich unterschiedlich schnell aus und ziehen sich unterschiedlich schnell zusammen – Metalle und Keramik ziehen sich beispielsweise weniger stark zusammen als Polymere. Forscher der Sandia National Laboratories in den USA haben ein Molekül modifiziert, das, wenn es einem Polymer hinzugefügt wird, die Haltbarkeit des Materials erhöht, um es metallähnlicher zu machen.

„Das ist wirklich ein einzigartiges Molekül, das sich beim Erhitzen nicht ausdehnt, sondern tatsächlich zusammenzieht, indem es eine Formänderung erfährt“, sagte Erica Redline, eine Materialwissenschaftlerin, die das Forschungsteam leitete. „Wenn es einem Polymer zugesetzt wird, zieht es sich weniger zusammen und erreicht ähnliche Ausdehnungs- und Kontraktionswerte wie Metalle. Ein Molekül zu haben, das sich wie Metall verhält, ist ziemlich bemerkenswert.“

Die Idee zur Entwicklung des bahnbrechenden Moleküls – das die Forscher nicht benannt haben – entstand aus Beschwerden von Sandia-Kunden über die Zerbrechlichkeit von Smartphones, die aus verschiedenen Materialien bestehen, die jeweils unterschiedlich auf Hitze und Kälte reagieren.

„Nehmen Sie zum Beispiel Ihr Telefon, das über ein Kunststoffgehäuse verfügt, das mit einem Glasbildschirm verbunden ist, und in dessen Inneren sich die Metalle und Keramiken befinden, aus denen die Schaltkreise bestehen“, sagte Redline. „Diese Materialien sind alle verschraubt, geklebt oder irgendwie miteinander verbunden und beginnen sich unterschiedlich schnell auszudehnen und zusammenzuziehen, wodurch sie sich gegenseitig belasten, was dazu führen kann, dass sie mit der Zeit reißen oder sich verziehen.“

Die Forscher sagen, dass das Molekül die Verwendung von Polymeren in einer Reihe von Anwendungen revolutionieren könnte, darunter Elektronik, Kommunikationssysteme, Solarmodule, Automobilteile, Leiterplatten, Luft- und Raumfahrtdesigns, Verteidigungssysteme und Bodenbeläge.

„Das Molekül löst nicht nur aktuelle Probleme, sondern eröffnet auch erheblich Gestaltungsspielraum für weitere Innovationen in der Zukunft“, sagte Jason Dugger, Chemieingenieur bei Sandia.

Sie sagen, ein Vorteil bestehe darin, dass es beim 3D-Druck in unterschiedlichen Prozentsätzen in verschiedene Teile eines Polymers eingebracht werden könne.

„Man könnte eine Struktur mit bestimmten thermischen Verhaltensweisen in einem Bereich und anderen thermischen Verhaltensweisen in einem anderen drucken, um sie an die Materialien in verschiedenen Teilen des Artikels anzupassen“, sagte Dugger.

Und es trägt auch dazu bei, das Materialgewicht zu reduzieren, indem es auf schwere Füllstoffe verzichtet. Als Füllstoffe werden häufig Mineralien wie Calciumcarbonat, Kieselsäure, Ton, Kaolin und Kohlenstoff zugesetzt, um die Formbarkeit und Stabilität des Polymers zu erleichtern.

„Es würde uns ermöglichen, Dinge viel leichter zu machen und so Masse zu sparen“, sagte Dugger. „Das ist zum Beispiel beim Start eines Satelliten besonders wichtig. Jedes Gramm, das wir einsparen können, ist riesig.“

Bisher haben die Forscher nur kleine Mengen des Moleküls hergestellt, sie arbeiten jedoch an einer Möglichkeit, die Produktion zu steigern. Derzeit dauert die Produktion von 7 bis 10 g etwa 10 Tage.

„Leider ist die Synthese dieses Moleküls eine lange Zeit“, sagte Chad Staiger, der organische Chemiker, der für die Herstellung des Moleküls verantwortlich ist. „Mehr Schritte bedeuten mehr Zeit und mehr Geld. Bei höherwertigen Materialien wie Pharmazeutika findet man in der Regel fünf- bis sechsstufige Synthesen. Bei Polymeren gilt: Je billiger, desto besser für eine breite Akzeptanz.“

Dennoch bleiben die Forscher hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten des Moleküls optimistisch.

„Es gibt nichts Vergleichbares da draußen“, sagte Eric Nagel, Teil des Forschungsteams. „Ich bin wirklich begeistert von den Möglichkeiten dieser Technologie und den damit verbundenen Anwendungen.“

Quelle: Sandia National Laboratories