Unkaputtbar dank Nanozusatz

Je leichter, desto besser: Wenn die Industrie nach neuen Materialien für die Fahrzeugproduktion sucht, kann es nicht gewichtsoptimiert genug sein. Ebenso wichtig ist aber auch die Stabilität. Forscher am MIT haben nun ein bestehendes, leichtes Polymermaterial mit Nanopartikeln aus Ton angereichert, die dessen Eigenschaften deutlich verbessern - und es ideal für die Autobranche machen.

Die Arbeit, die innerhalb des MIT-Programms für Polymerwissenschaften entstand, orientiert sich dabei an der Natur - etwa am Aufbau sehr harter Muschelschalen. Ausgangsmaterial war elastisches Polyurethan, das bereits in der Biomedizin eingesetzt wird. Es enthält in der optimierten Variante kleinste Ton-Partikel, die im ganzen Material gleichmäßig verteilt sind.

Elastisches Polyurethan wird normalerweise aus zwei Polymer-Typen hergestellt: Der eine ist hart und liegt in kristalliner Form vor, der andere ist weich und fadenartig. Den harten Anteil verstärkten die Forscher mit dünnen Tonplättchen in Nanogröße. Diese Beimischung verbindet die harten Polymerketten durch ein fortlaufendes Netz, das innerhalb des weichen Polymers verläuft.

Ergebnis ist ein Stoff, dessen Eigenschaften nur selten zusammenkommen: Steifheit und Dehnbarkeit in einem Material. Schon früher gelang es Forschern, elastisches Polyurethan bis zu sieben Mal steifer zu machen. Das hatte aber den Nachteil, dass es spröder wurde und schließlich leichter brach, wie Gareth McKinley, Forschungsleiter bei dem MIT-Projekt, erklärt. Mit der neuen Technik ist das Material hingegen über 20 Mal steifer - und dennoch kaum brüchig: "Wir machten es stärker bei gleichzeitig guter Dehnbarkeit."

Durch die hohe Steifheit des Materials ist es zudem extrem schwer, es zu verbiegen - dazu wird enorm viel Energie benötigt. Und selbst wenn es zu einer Deformierung kommt, bricht es zunächst nicht. Stattdessen nimmt es noch mehr Energie auf, während es sich verformt. Das nano-optimierte Material kann dadurch bis zu vier Mal mehr Energie absorbieren als das Originalmaterial.

Die Zähigkeit bedeutet auch, dass wesentlich weniger Ausgangsmaterial in der Produktion benötigt wird - bis zu 75 Prozent weniger, um genau zu sein. Dünne Blätter des Materials, die nicht reißen könnten, wären flexibel genug, um als Verpackungsmaterial zu dienen - beispielsweise für das Fertigessen des US-Militärs. Zudem lässt es sich auch zu Fäden spinnen, um daraus reißfeste Stoffe zu produzieren.

Ebenfalls interessant ist die Unempfindlichkeit gegenüber Hitze. Die Tonpartikel verstärken die Haltbarkeit enorm. Das Original-Polyurethan wird bereits ab 100 Grad Celsius weich, verliert an Steifheit und bricht dann leicht. Das nano-angereicherte Material kann noch 200 Grad aushalten, so dass man es beispielsweise für eine PKW-Motorhaube verwenden könnte. Durch die Leichtheit des Materials ließe sich so potenziell "sehr, sehr viel Sprit" sparen, glaubt McKinley.

Problematisch ist derzeit allerdings noch die Verarbeitung. Laut Evangelos Manias, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Pennsylvania State University, kann es bei zu starker Erhitzung während des Einbaus in andere Produkte zu Verklumpungen des Tonanteils kommen, was dann die positiven Eigenschaften verloren gehen lässt.

Manias findet das neue Material dennoch hochinteressant - besonders seine Herstellung. Es sei bislang sehr schwer gewesen, Nanopartikel wie Ton einheitlich in einem Polymer zu verteilen, weil beide Stoffe unterschiedliche chemische Eigenschaften hätten. Ton ziehe Wasser an, Polymermaterialien stießen es ab. Das MIT-Team habe das Problem gelöst.

Um die Tonpartikel an den richtigen Ort zu bringen, verwenden McKinley und seine Kollegen zwei Lösungsmittel. Das eine verteilt die Nanopartikel und das andere löst das Polymer. Die beiden Lösungen werden dann vermischt, bis die enthaltenen Nanopartikel gleichmäßig im gelösten Polymer verteilt sind. Das Lösungsmittel für den Polymeranteil wird anschließend verdampft. Es entsteht ein Polymernetz, das die Tonpartikel "einfängt". Chemische Veränderungen der Nanopartikel werden dabei nicht vollzogen - sie behalten ihre Affinität zu den harten Anteilen innerhalb des Polyurethans, lagern sich also nicht an die weichen Bestandteile an.

Mit Hilfe dieses Prozesses könnten sich auch andere Materialien herstellen lassen, glaubt Manias. Nicht nur Nanopartikel seien nutzbar, sondern auch Nanoröhrchen. "Das wichtigste dabei ist, dass man das Verfahren nicht nur bei Polyurethan anwenden kann. Es gibt ganze Wissenschaftsfelder, bei der diese Produktionsmethode brauchbar ist."

Übersetzung: Ben Schwan. (nbo)