So hart wie Stahl
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So hart wie Stahl
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70 % der weltweiten Kautschukproduktion wird in der Reifen - und Autoindustrie verwendet.
30 % der weltweiten Kautschukproduktion dient der Herstellung von über 40.000
Produkten des industriellen persönlichen Bedarfs.
Während ihrer Umtriebszeit absorbieren Kautschukplantagen CO2 und wirken so dem Klima-
wandel entgegen. Nach der Fällung wird ihr wertvolles und vielseitig verwendbares Holz der
Holzindustrie zugeführt und zu zahlreichen Bau- und Holzprodukten verarbeitet.
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Zwei chinesischen Ingenieuren (Liangbin Hu und Teng Li) ist an der amerikanischen Maryland-Universität ein bahnbrechender Durchbruch in der Verfahrenstechnik für Holz gelungen.
Dass Holz zu den ältesten Werkstoffen des Menschen gehört, ist bekannt. Vor allem als Material im Bau- und Möbelbereich ist seine Beliebtheit ungebrochen. Bei der Belastbarkeit kann der nachwachsende Rohstoff bislang mit stabilen Metallkonstruktionen jedoch nicht immer mithalten. Die von den beiden Ingenieuren entwickelte Holzbehandlung soll dies nun ändern, denn mit dem neuen Verfahren wird Holz härter als Stahl.
Wie die beiden Wissenschaftler im Magazin „Nature“ ausführen, erhöht sich die Festigkeit von Holz durch die neue Technik um mehr als das Zehnfache: In einem ersten Schritt wird Holz mit einer Lösung aus Natriumhydroxid und Natriumsulfit behandelt. Dadurch löst sich das Lignin aus dem Rohstoff und macht das Holz porös. In einem zweiten Schritt wird das Material bei Temperaturen um 100 Grad Celsius zusammengepresst, wobei die Hohlräume im Holz kollabieren. Das dabei entstehende neue Holzmaterial weist eine dreimal höhere Dichte auf und ist in Bezug auf Festigkeit und Steifigkeit rund zehnmal stärker als das ursprüngliche Holz.
Das neue Hightech-Holz ist so widerstandsfähig und belastbar wie Stahl, aber sechsmal so leicht. Dadurch ergeben sich im Anwendungsbereich von Holz völlig neue Perspektiven. Überall dort, wo heute schwerer und nicht-erneuerbarer Stahl genutzt werden muss – im Bausektor, bei Automobilen oder bei Flugzeugen usw. –, wird dieser innovative Rohstoff auf Holzbasis auf großes Interesse stoßen.
„Wir verfolgen zwei völlig gleichwertige Ziele: Wir wollen das Kohlendioxid aus der Luft entfernen, aber auch eine finanzielle Rendite erzielen.“
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Home Wissenschaft Materialforschung: Ein Stoff so fein wie Seide und so hart wie Stahl
Wissenschaft Materialforschung Ein Stoff so fein wie Seide und so hart wie Stahl
Veröffentlicht am 23.05.2007 | Lesedauer: 2 Minuten
Vor hundert Jahren wurde ein Material geschaffen, das den Alltag entscheidend verändern sollte. Das menschliche Leben ist ohne Plastik nicht vorstellbar. Doch die Risiken werden oft unterschätzt: Die Zukunft des Kunststoffs ist unsicher.
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D as Plastik feiert seinen 100. Geburtstag. Aus diesem Grund zeigt das Londoner Science Museum eine Ausstellung, die zeigt, wie Plastik unsere Welt verändert hat. „In der Hand des Menschen wurde aus dem braunen Klumpen ein Alleskönner“, schwärmt Alison Conboy, die bei der Planung der Ausstellung mitverantwortlich war. „Es ist kaum ein Haus vorstellbar, in dem es kein Plastik gibt.“
Der belgisch-amerikanische Chemiker Leo Baekeland entwickelte 1907 das Bakelit, ein Harz aus Phenol, Formaldehyd und Polymeren. Viele Wissenschaftler zuvor hatten vergeblich versucht, ein synthetisches Material zu schaffen. Kurz nach der Entdeckung wurde der Stoff in der Fabrik des Erfinders in Billardkugeln, Schränken, Tischplatten und Küchengeräten verarbeitet. Chemische Stabilität, Hitzeresistenz und seine Bruchfestigkeit verhalfen dem Plastik zu seinem enormen Erfolg.
Die Plastikfamilie wuchs rapide an: Kunstseide, Zellophan, PVC und Polyethylene trugen zum Aufschwung des Kunststoffes entscheidend bei. Einige der neuen Produkte lösten eine Konsumhysterie aus. Die Werbeagentur DuPont Co. bot das Produkt 1939 als „fein wie Seide und hart wie Stahl“ an. Plastikflaschen, Styroportassen, mit Teflon beschichtete Pfannen, Tupperware und Plastiktöpfe eroberten die Küche, während Männer und Frauen rund um die Welt Seide und Baumwolle gegen Acryl und Polyester eintauschten. PVC ist in Kreditkarten enthalten und auch Schallplatten, Polstermöbel und Schuhe sind ohne diesen Stoff nicht vorzustellen.
Wenn sich das Plastik weiterhin so fortschrittlich entwickelt, dann ist zukünftig scheinbar Unmögliches machbar: Computer, die sich zusammenfalten lassen, Kleider, die ihre Länge ändern können und Flugzeuge, bei denen in der Luft die Flügellänge veränderbar ist.
Das Wundermaterial birgt jedoch auch Gefahren. „90 Prozent aller Materialien werden derzeit aus Öl hergestellt“, kritisiert Conboy „ein Produkt mit einer unsicheren Zukunft“. Mit der gleichen Stärke, wie das Plastik das ideale Allzweckmittel ist, hat es auch negative Auswirkungen für die Umwelt. Weniger als 10 Prozent allen Plastiks wird recycelt, Das World Watch-Institut, das Umweltvergehen offen legt, vermutet, dass allein in den USA jährlich 100 Billionen Plastiktüten weggeworfen werden. Forscher arbeiten bereits am Bioplastik, das das herkömmliche Plastik ablösen könnte.
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30. Juni 2022
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Diese kleinen Scheibchen bestehen aus einem zweidimensionalen Polymer, das härter ist als Stahl und stabiler als kugelsicheres Glas. © Strano et al., Christine Daniloff/ MIT
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Chemiker haben ein neuartiges „Super-Polymer“ erzeugt, das doppelt so hart ist wie Stahl, aber leicht und ultradünn. Möglich ist dies, weil Grundbausteine dieses organischen Materials ein zweidimensionales, nur eine Moleküllage dickes Netz bilden. Dies verleiht dem 2D-Polymer seine ungewöhnlichen Eigenschaften. Sie könnten es zu einem neuartigen Baumaterial machen, aber auch stabile, dichte und extrem dünne Beschichtungen ermöglichen, wie die Forschenden in „Nature“ berichten.
Ob ultrafeste Schäume , formwandelnde Metalle oder ein unkaputtbares Gel : Neuartige Materialien können Konstruktionen stabiler und gleichzeitig leichter machen oder Material und Energie einsparen helfen. Auch ganz neue Anwendungen werden durch solche „Supermaterialien“ möglich. Das Geheimnis ihrer besonderen Eigenschaften liegt dabei meist in ihrer Molekülstruktur. Insbesondere zweidimensionale Materialien wie Graphen und ähnlich einlagige Gitternetz-Verbindungen zeigen Merkmale, die sich deutlich ihren dreidimensionalen Varianten unterscheiden.
Auch bei Polymeren vermuten Wissenschaftler schon länger, dass sie in zweidimensionaler Form noch günstigere mechanische Eigenschaften zeigen könnten. Solche einlagigen Kunststoffmaterialien könnten eine erhöhte Festigkeit und Steife mit der geringen Dichte und einfachen Herstellung normalen Plastiks verbinden. Bisher jedoch ist es nicht gelungen, solche zweidimensionalen Polymerfilme zu erzeugen.
Das Problem: Typischerweise werden Polymere hergestellt, indem man die Grundbausteine zusammengibt und die Bedingungen schafft, unter denen sie sich von selbst miteinander vernetzen. Dadurch ist jedoch nur schwer kontrollierbar, welche Ausrichtungen diese Bindungen haben. „Sobald bei einer polymerisierenden Scheibe auch nur ein Bindungsarm aus der Ebene hinausragt, wird die 3D-Struktur schneller wachsen als die erwünschte zweidimensionale Ebene“, erklären Yuwen Zeng vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) und seine Kollegen.
Trotz jahrzehntelanger Versuche ist es daher bislang nicht gelungen, solche zweidimensionalen Polymere herzustellen. Einige Forscher hielten zweidimensionale Polymerschichten deshalb sogar für gar nicht produzierbar.
Doch Zeng und seinen Kollegen ist dieses „unmögliche“ Kunststück nun gelungen. Möglich wurde dies, weil sie zwei Grundbausteine für ihr 2D-Polymer wählten, die eine flächige Anordnung der Bindungen begünstigen. „Unsere Hypothese war, dass eine starke Amid-Aromaten-Konjugation die Rotation von Bindungen aus der Ebene hemmt“, erklärt das Team. Gemeint ist damit eine Bindung zwischen der funktionellen Gruppe-NH 2 und einem Kohlenwasserstoffring aus delokalisierten Doppelbindungen.
Um diese Bedingungen zu erfüllen, nutzten die Chemiker als Ausgangsstoffe Pyridin und das stickstoffhaltige Ringmolekül Melamin. Diese reagieren so miteinander, dass sie einlagige Schichten bilden, die nur seitlich wachsen. „Dieser Prozess passiert in Lösung spontan und wir können so folienartige Polymerfilme herstellen, in denen die Moleküle zweidimensional aneinander gereiht sind“, erklärt Seniorautor Michael Strano vom MIT. Diese zweidimensionalen Netzwerke können sich über Wasserstoffbrücken lose miteinander verbinden und so mehrschichtige Filme bilden.
Die entscheidende Frage ist jedoch, ob diese Filme aus dem 2D-Polymer auch die erhofften Eigenschaften aufweisen. Das hat das Forschungsteam in praktischen Tests überprüft. Und tatsächlich: Um das 2DPA-1 getaufte Material mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops einzudellen, benötigt man einen Druck von mehr als 12,7 Gigapascal – das ist vier- bis sechsmal besser als bei kugelsicherem Glas.
Noch größer ist die Biegefestigkeit des Materials: „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“, berichten die Physiker. Und noch etwas kommt hinzu: Obwohl das 2D-Polymer aus einem einlagigen, scheinbar „löchrigen“ Molekülnetz besteht, ist es für Gase oder Wasser undurchlässig.
Nach Angaben des Forschungsteams könnten diese für ein polymer ungewöhnlichen Eigenschaften ganz neue Anwendungen ermöglichen. „Normalerweise denkt man bei Plastik nicht an etwas, mit dem man ein Gebäude stützen könnte“, sagt Strano. „Aber mit diesem Material sind ganz neue Dinge möglich.“ So könnte der ultradünne Polymerfilm eingesetzt werde, um Autoteile oder Handys mit einer schützenden Beschichtung zu versehen. Auch als Baumaterial für Brücken oder andere Bauwerke wäre das Material nutzbar.
Die Produktion dieses neuartigen 2D-Polymers ist zudem auch in großem Maßstab möglich, wie das Team berichtet. Denn die Moleküle finden sich unter den richtigen Bedingungen quasi von selbst zusammen und bilden die einlagigen Netze. „Damit haben wir planare Moleküle, die sich leicht zu einem sehr starken, aber sehr dünnen Material machen lassen“, sagt Strano. (Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-021-04296-3 )
Quelle: Massachusetts Institute of Technology
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Cambridge (pte003/12.01.2017/06:05) - Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) http://web.mit.edu haben ein neues "Super-Material" entwickelt, das vom Gewicht her leichter als Plastik, aber dennoch zehnmal so hart wie Stahl ist. Als Basis für den vielversprechenden Werkstoff dienen kleine Flocken aus Graphen, das aus nur einer Lage wabenförmig angeordneter Kohlenstoffatome besteht und als das stärkste Material bislang gilt. Diese werden durch Druck und Hitze zu einem korallenartigen Gebilde komprimiert, das aus vielen Kugeln mit einer großen Anzahl verbundener Öffnungen besteht. Den Forschern zufolge soll der so kreierte Stoff vor allem im Leichtbau völlig neue Möglichkeiten eröffnen.
"Unser neues Super-Material besteht aus Graphen-Flocken, die zu einem großen, mit Spinnweben bedecktem Netzwerk zusammengequetscht und -gedrückt werden", zitiert "LiveScience" den zuständigen MIT-Projektleiter Markus J. Buehler. Das Endergebnis bezeichnet er als "fluffige Struktur, die ein wenig wie eine psychedelische Meereskreatur aussieht". "Sie ist beinahe völlig hohl und weist eine Dichte auf, die lediglich fünf Prozent von herkömmlichem Graphen beträgt", erklärt der Materialforscher.
Mit ihrer Erfindung ist den MIT-Wissenschaftlern ein wichtiger Durchbruch gelungen: Sie haben es erstmals geschafft, die besonderen Eigenschaften von Graphen von der zweiten in die dritte Dimension zu überführen. Alle entsprechenden Experimente waren bisher gescheitert. "Die auf den ersten Blick fast magisch wirkenden Eigenschaften von Graphen hängen nicht unbedingt nur davon ab, welche Atome verwendet werden. Das Geheimnis liegt viel eher darin, in welcher Struktur diese Atome angeordnet sind", so Buehler.
"Wollten wissen, wie weit wir gehen können"
Um ihren neuen "Wunder-Werkstoff" zu erschaffen, sind die Forscher eigenen Angaben zufolge noch einmal bis an den Anfang zurückgekehrt und haben die Struktur verschiedener Materialien auf atomarem Level genau analysiert. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse nutzten sie anschließend zur Erstellung eines mathematischen Modells, mit dessen Hilfe sich vorhersagen lässt, wie besonders harte Super-Materialien hergestellt werden können.
Der nächste Schritt war die Anfertigung
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