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Hauchdünn und ohne Lösungsmittel

Polyethylen begegnet uns im Alltag bei vielen Gelegenheiten. Seit Mitte der 50er Jahre wird der Kunststoff in großen Mengen zum Beispiel in Rohrleitungssystemen für die Gas- und Wasserversorgung, für Kabelisolierungen aber auch in vielen Verpackungsmaterialien eingesetzt, zum Beispiel bei so genannten Schrumpffolienverpackungen wie wir sie bei Holzpanelen aus dem Baumarkt oder Obst und Gemüse kennen. Verwendung findet der Kunststoff auch bei der Entwicklung von Implantaten.

Hier punktet das Material durch seine Kombination von Gleiteigenschaften und Abriebfestigkeit. Polyethylen ist in seiner Herstellung ressourcenschonend, umweltfreundlich und physiologisch unbedenklich. Bei einer weiteren Verknappung fossiler Rohstoffe könnte Polyethylen effizient aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden.

Schichten aus Kunststoff, viel dünner als ein Haar, sind von hohem Interesse in Wissenschaft und Technik. Geeignet sind sie zum Beispiel für Schutzbeschichtungen. Das Forscherteam von Prof. Stefan Mecking aus dem Fachbereich Chemie der Universität Konstanz hat eine neue Methode entwickelt, um hauchfeine Schichten herzustellen. „Diese Forschungsergebnisse sind auch ein passender Auftakt für den neuen Studiengang „Molekulare Materialwissenschaften“, so Mecking. Dieser neue 6-semestrige Studiengang wird ab dem Wintersemester 2008/2009 angeboten. 25 Studienplätze stehen zur Verfügung.

„Wir entwickeln die Filme aus einzelnen, vorgefertigten Nanokristall-Bausteinen. Bei der konventionellen Methode zur Herstellung ultradünner Polymer-Filme arbeitet man mit einer verdünnten Lösung des Polymers in einem organischen Lösungsmittel. Sie wird auf einem Träger aufgebracht. Um die kristalline Ordnung des festen Polymers aufzubrechen und es erst einmal in Lösung zu bringen, sind meist hohe Temperaturen nötig. Erst während das Lösungsmittel entfernt oder gekühlt wird, stellt sich die kristalline Ordnung der Schicht ein“, erklärt der Chemiker das herkömmliche Verfahren.

Winzige kristalline Lamellen

Mecking und sein Team setzen auf ein völlig neues Verfahren: „Wir kommen ohne diese hohen Temperaturen und vor allem ohne organische Lösungsmittel aus. In einem ersten Schritt stellen wir durch die katalytische Polymerisation von Ethylen an Nickel-Komplexen eine wässrige Dispersion kristalliner Polymerteilchen her. Wir erhalten einzelne, getrennt vorliegende Einkristalle aus einer kristallinen Lamelle, die winzig sind. Sie haben eine Größe von etwa 25 x 6 nm. Umgeben sind sie von einer 1 nm dicken amorphen Schicht. Amorphe Bereiche auf der Oberfläche sind eine typische Erscheinung bei Polymer-Kristallen. „Amorph“ ist praktisch das Gegenteil von kristallin und bedeutet, dass die Polymermoleküle in diesem Bereich ungeordnet zueinander liegen. Im Vergleich zu den kristallinen Bereichen sind die amorphen Bereiche weich.“

Ist dieser chemische Prozess abgeschlossen, werden Tröpfchen der wässrigen Dispersion auf einen Glasträger gegeben. „Jetzt steht ein Schleudergang an. Die Tröpfchen werden mit rund 2.000 Umdrehungen pro Minute geschleudert. Dabei wird Flüssigkeit weggeschleudert, und Wasser verdampft. Was bleibt, ist ein hauchfeiner gleichmäßiger Film von 50 nm Dicke“, so Mecking (Anm.: ein Nanometer entspricht dem Milliardstel eines Meters). Das Erfolgsrezept der Herstellungsmethode seien insbesondere die amorphen Bereiche um die Einkriställchen, welche wie ein Kleber wirken, in Kombination mit der geringen Größe der Kristalle im Miniaturformat.

Die Arbeiten werden von M.Sc. Qiong Tong im Rahmen ihrer laufenden Dissertation unter Betreuung von Prof. Stefan Mecking am Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft durchgeführt.

Quelle: Uni Konstanz - 06.06.08 (P)

Glossar

  • Ein Katalysator ist ein Stoff, der selektiv eine bestimmte chemische oder biochemische Reaktion beschleunigt, indem er die Aktivierungsenergie herunter setzt. Der Katalysator selbst wird dabei nicht verbraucht.
  • Lytisch zu sein ist die Eigenschaft eines Bakteriophagen, seine Wirtszelle bei der Infektion zu zerstören.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Polyethylen (Abkürzung: PE) ist das Polymer des Ethylens. Es gehört zu den thermoplastischen Kunststoffen.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Fossile sind aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit stammende Überreste von Tieren oder Pflanzen.
  • Ethylen ist ein gasförmiges Pflanzenhormon. Es ist an der Keimung und vor Allem an Seneszenzvorgängen (Alterungsvorgänge) der Pflanze beteiligt. Es fördert Fruchtreifung, Blütenentwicklung, den Blattfall im Herbst sowie das Absterben von Pflanzenteilen. In Gewächshäusern wird die Wirkung des Pflanzenhormons genutzt, indem Früchte mit Ethylen begast werden um den Reifungsprozess zu beschleunigen.
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