de.wedoany.com-Bericht: Chemiker des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben durch eine kontraintuitive Methode – das Hinzufügen schwacher Bindungen, um Materialien stärker zu machen – möglicherweise alltägliche Kunststoffe wie Polystyrol von spröden Materialien in kugelsichere Materialien verwandelt.
Die Studie wurde von Jeremiah Johnson, Inhaber des A. Thomas Geurtin-Lehrstuhls für Chemie am MIT und Mitglied des Koch Institute for Integrative Cancer Research, geleitet. Nachdem das Team neuartige Vernetzungsmoleküle, sogenannte Mechanophore, in gängige Polymere wie Polystyrol und Styrol-Butadien-Styrol (SBS)-Kautschuk eingebaut hatte, verbesserte sich die Schlagfestigkeit der Materialien gegen Projektile. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht und könnten Auswirkungen auf Branchen wie die Automobil- und Unterhaltungselektronik haben.
Johnson erklärte, dass diese Vernetzer die Energie, die das Material bei einem Projektileinschlag aufnehmen kann, erheblich steigern können. Wenn sich die Methode auf andere Polymere übertragen ließe, wären die Anwendungsmöglichkeiten sehr breit gefächert.
Diese Innovation dreht sich um ein scheinbar widersprüchliches Konzept: Materialien durch das Einbringen von Schwachstellen zäher zu machen. Das MIT-Team fügte Mechanophore hinzu – die als schwache Vernetzungsbindungen im Material verteilt sind –, damit das Polymer unter Verformung Energie effizienter ableiten kann. Bei einem Projektileinschlag brechen diese schwachen Bindungen selektiv an der Aufprallstelle und öffnen Kanäle für eine verbesserte Energieabsorption. Polystyrol ist ein hartes, glasartiges Polymer, das zur Herstellung von Kunststoffbehältern, Flaschen, Bechern, Einweggeschirr und Beschichtungen für elektronische Geräte verwendet wird. Laut MIT wird Polystyrol, obwohl es manchmal mit der Recyclingkennzahl 6 gekennzeichnet ist, nur schwer recycelt und in den USA selten zur Wiederverwendung gesammelt.
Diese Studie baut auf einer Arbeit von Johnson und seinen Kollegen am MIT und der Duke University aus dem Jahr 2023 auf, die zeigte, dass schwache Vernetzer Polymere unter langsamen Reißbedingungen zäher machen können. Wenn sich ein Riss im Material auszubreiten beginnt, spalten sich die Mechanophore in zwei Teile, was zur Energieableitung beiträgt und den Verlauf des Risses verändert, was bedeutet, dass mehr Energie aufgewendet werden muss, um das Material zu zerreißen.
Im Gegensatz zu früheren Arbeiten, die sich auf langsames Reißen konzentrierten, zielt diese neue Studie darauf ab, auf Mechanophoren basierende Strategien zu entwickeln, um schnellen Verformungen durch plötzliche Stöße zu widerstehen. Die Forscher bauten die Mechanophore direkt als Vernetzer in gängige Polymere ein und testeten sie dann mit der laserinduzierten Mikroprojektil-Aufprallprüfung (LIPIT). Das LIPIT-System wurde von Keith Nelson, Haslam and Dewey Professor of Chemistry und Co-Senior-Autor der Studie, erfunden. Bei den Tests wurden winzige Siliciumdioxid-Mikrokügelchen mit einem Durchmesser von etwa 10 Mikrometern mit einer Geschwindigkeit von etwa 750 Metern pro Sekunde auf Polymerfilme geschossen. Durch die Messung der Geschwindigkeitsänderung der Partikel vor und nach dem Durchdringen des Films wurde die vom Material absorbierte Energie berechnet.
Die Experimente zeigten, dass das mit Mechanophoren vernetzte Polystyrol weitaus mehr Energie aus dem Aufprall absorbierte als gewöhnliches Polystyrol. Die Forscher führen dieses Verhalten auf eine durch Kraft und adiabatische Erwärmung angetriebene lokale Umwandlung von Duroplast zu Thermoplast zurück, bei der das selektive Brechen der Mechanophore die viskoplastische Verformung an der Aufprallstelle fördert, während die Netzwerkintegrität der umliegenden Bereiche erhalten bleibt. Die Forscher gaben an, dass sich diese Strategie sowohl bei glasartigem Polystyrol als auch bei gummiartigen Styrol-Butadien-Styrol-Triblockcopolymeren als universell einsetzbar erwiesen habe. Diese Ergebnisse etablieren die Mechanophor-Vernetzung als Gestaltungsprinzip, um handelsübliche Polymere in schlagfeste Materialien zu verwandeln, und eröffnen Wege an der Schnittstelle von Polymer-Mechanochemie und Materialverhalten unter extremen Dehnungsraten.
Durch Experimente und Simulationen in Zusammenarbeit mit Forschern des MIT, der Purdue University, der Northwestern University und der Duke University fand das Team heraus, wie die Mechanophore die Schlagfestigkeit verbessern. Wenn ein schnelles Partikel auf das Material trifft, steigt die Temperatur an der Aufprallstelle so weit an, dass sich eine mobile Zone bildet. In dieser Zone brechen die Mechanophorbindungen selektiv unter Krafteinwirkung und öffnen kontrollierte Kanäle, um die Aufprallenergie besser zu absorbieren, während die Bereiche außerhalb der Aufprallstelle relativ unbeeinflusst und stabil bleiben. Yoan Simon, außerordentlicher Professor an der School of Molecular Sciences der Arizona State University, sagte, dass dieser Ansatz mit minimalem chemischen Aufwand diese Eigenschaft „fertigen" handelsüblichen Kunststoffen, sowohl glasartigen als auch Elastomeren, verleihen könne und daher bemerkenswert skalierbar und relevant sei.
Den Forschern ist es bereits gelungen, Mechanophore in SBS-Kautschuk (verwendet für Schuhsohlen, Asphalt und Dachmaterialien) einzubringen und ähnliche Effekte zu beobachten. Sie untersuchen derzeit, ob die Methode auch für Styrol-Butadien-Kautschuk (einen Hauptbestandteil von Reifen) anwendbar ist. Bei Erfolg könnte die Technologie langlebigere Reifen produzieren und die Menge an Mikroplastik reduzieren, die beim Kontakt zwischen Reifen und Straße entsteht – dieser Anteil macht mindestens 10 % des Mikroplastiks in der Umwelt aus. Das Team untersucht auch, ob die Methode auf andere Polymertypen wie Latex anwendbar ist. Katharine Covert, Programmdirektorin des Center for Chemical Innovation der National Science Foundation (NSF), sagte, dass Materialien, die energieabsorbierende Mechanophore enthalten, eines Tages dazu beitragen könnten, Reifenplatzern auf Autobahnen vorzubeugen oder schützendere Gehäuse für persönliche elektronische Geräte bereitzustellen.
Die Studie wurde vom Center for the Chemistry of Molecularly Optimized Networks der National Science Foundation, dem U.S. Army Research Office über das Institute for Soldier Nanotechnologies am MIT, dem Schmidt Science Postdoctoral Fellowship und dem U.S. Air Force Office of Scientific Research finanziert. Die ehemaligen MIT-Postdoktoranden Zhen Sang und Suong T. Nguyen sowie der MIT-Doktorand Kwangwook Ko sind die Erstautoren der Arbeit.
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