Nun sind sie also auch im Nanoland angekommen, die Kunststoffforscher, und dringen damit in Dimensionen vor, die nur noch unter dem Elektronenmikroskop zu erkennen sind. Alle Polymere, die auf dem Symposium in Straßburg vorgestellt wurden, besitzen Feinstrukturen im Bereich, der kleiner als ein Mikrometer ist - dem Nanobereich. Ein aktuelles Beispiel sind die so genannten Nanokomposite-Verbundwerkstoffe, bei denen die eingelagerten Teilchen in Nanometern dimensioniert sind. Emmanuel Giannelis von der Cornell University in Ithaca:
Das Besondere an Nanokompositen ist, dass die Nanopartikel die innere Struktur des Kunststoffs verändern, und das beeinflusst natürlich seine Eigenschaften. Außerdem können Nanopartikel einem Kunststoff zusätzliche Funktionen verleihen. Denn sie sind sehr klein, ihre Dimensionen liegen im Bereich der Polymerbausteine. Daher können wir den Kunststoffe jetzt spezielle Eigenschaften verleihen, die mit den üblichen Füllstoffen nicht erreicht werden können.
Nanostrukturierte Polymere sind also eine Art besserer Verbundwerkstoff. Als eingelagerte Teilchen verwenden die Forscher Kieselsäure, Aluminiumoxid oder bestimmte Minerale, die sich als flache Plättchen im Polymer verteilen. Die dadurch verbesserten Eigenschaften der Kunststoffe lassen sich auf zahlreichen Gebieten nutzen, etwa bei Autolacken, die dank der Nanopartikel viel langsamer zerkratzt werden, oder bei Verpackungsfolien, die keine Gase durchlassen, da die Nanopartikel die Diffusion der Gasmoleküle blockieren. Emmanuel Giannelis arbeitet auf einem weiteren aussichtsreichen Gebiet:
Eines unserer Forschungsgebiete sind Membranen für Brennstoffzellen. Eine solche Kunststoffmembran muss ständig feucht gehalten werden, damit sie die Wasserstoff-Ionen in der Zelle gut leitet. Mit Nanopartikeln, die wir in den Kunststoff einlagern, können wir die Wassermoleküle binden. Damit erreichen wir eine gute Leitfähigkeit sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Betriebstemperaturen.
Die Polymerbrennstoffzelle gilt als aussichtsreicher Kandidat, der künftig Handys und Notebooks, aber auch Fahrzeuge mit Strom versorgen soll. Bislang können die mobilen Stromquellen nur bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen betrieben werden. Deshalb ist als Katalysator teures Platin nötig. Emmanuel Giannelis ist zuversichtlich, dass mit Nanokompositen höhere Betriebstemperaturen und damit bessere Wirkungsgrade erzielt werden können.
Nanostrukturierte Kunststoffe führen auf vielen Gebieten zu Fortschritten. Volker Schädler arbeitet an der Universität Straßburg an Dämmstoffen:
Da ist es ein großes Problem, dass man auf Grund der steigenden Energiekosten immer bessere Isolationsmaterialien braucht. Um diese Leistungsfähigkeit bezüglich thermischer Isolation zu verbessern, ist man jetzt eigentlich schon am Ende der Fahnenstange bei den bisherigen Materialien. Wenn man da jetzt einen echten Quantensprung machen möchte, dann muss man die Zellgröße der derzeitigen Polymere etwa um den Faktor 1000 verkleinern.
Womit man wieder im Nanometerbereich ankommt. Schäume mit solch winzigen Bläschen dämmen außerordentlich gut. Eine sehr dünne Dämmschicht genügt daher zur Isolierung von Häusern und Kühlschränken. Doch mit den konventionellen Produktionsverfahren kann man das Material nicht herstellen. Deshalb greift die Gruppe um Volker Schädler zu einem Trick:
Wir geben über Nanopartikel eine Strukturierung vor. Wir führen eine Gelierung durch, bei dieser Gelierung entsteht ein Netzwerk. Wir stellen die Maschengröße dieses Netzwerks letzten Endes durch unsere Nanopartikel ein. Dabei sind wir eigentlich ganz gut vorangekommen und haben auch schon sehr poröse Materialien im Bereich von 70 bis 80 Prozent Porosität. Die Poren sind alle kleiner als ein Mikrometer.
Die Nanopartikel geben vor, wie groß die Luftblasen im Kunststoff sein dürfen. Der innovative Dämmschaum könnte nach Ansicht von Schädler in fünf Jahren auf dem Markt sein.
Das Besondere an Nanokompositen ist, dass die Nanopartikel die innere Struktur des Kunststoffs verändern, und das beeinflusst natürlich seine Eigenschaften. Außerdem können Nanopartikel einem Kunststoff zusätzliche Funktionen verleihen. Denn sie sind sehr klein, ihre Dimensionen liegen im Bereich der Polymerbausteine. Daher können wir den Kunststoffe jetzt spezielle Eigenschaften verleihen, die mit den üblichen Füllstoffen nicht erreicht werden können.
Nanostrukturierte Polymere sind also eine Art besserer Verbundwerkstoff. Als eingelagerte Teilchen verwenden die Forscher Kieselsäure, Aluminiumoxid oder bestimmte Minerale, die sich als flache Plättchen im Polymer verteilen. Die dadurch verbesserten Eigenschaften der Kunststoffe lassen sich auf zahlreichen Gebieten nutzen, etwa bei Autolacken, die dank der Nanopartikel viel langsamer zerkratzt werden, oder bei Verpackungsfolien, die keine Gase durchlassen, da die Nanopartikel die Diffusion der Gasmoleküle blockieren. Emmanuel Giannelis arbeitet auf einem weiteren aussichtsreichen Gebiet:
Eines unserer Forschungsgebiete sind Membranen für Brennstoffzellen. Eine solche Kunststoffmembran muss ständig feucht gehalten werden, damit sie die Wasserstoff-Ionen in der Zelle gut leitet. Mit Nanopartikeln, die wir in den Kunststoff einlagern, können wir die Wassermoleküle binden. Damit erreichen wir eine gute Leitfähigkeit sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Betriebstemperaturen.
Die Polymerbrennstoffzelle gilt als aussichtsreicher Kandidat, der künftig Handys und Notebooks, aber auch Fahrzeuge mit Strom versorgen soll. Bislang können die mobilen Stromquellen nur bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen betrieben werden. Deshalb ist als Katalysator teures Platin nötig. Emmanuel Giannelis ist zuversichtlich, dass mit Nanokompositen höhere Betriebstemperaturen und damit bessere Wirkungsgrade erzielt werden können.
Nanostrukturierte Kunststoffe führen auf vielen Gebieten zu Fortschritten. Volker Schädler arbeitet an der Universität Straßburg an Dämmstoffen:
Da ist es ein großes Problem, dass man auf Grund der steigenden Energiekosten immer bessere Isolationsmaterialien braucht. Um diese Leistungsfähigkeit bezüglich thermischer Isolation zu verbessern, ist man jetzt eigentlich schon am Ende der Fahnenstange bei den bisherigen Materialien. Wenn man da jetzt einen echten Quantensprung machen möchte, dann muss man die Zellgröße der derzeitigen Polymere etwa um den Faktor 1000 verkleinern.
Womit man wieder im Nanometerbereich ankommt. Schäume mit solch winzigen Bläschen dämmen außerordentlich gut. Eine sehr dünne Dämmschicht genügt daher zur Isolierung von Häusern und Kühlschränken. Doch mit den konventionellen Produktionsverfahren kann man das Material nicht herstellen. Deshalb greift die Gruppe um Volker Schädler zu einem Trick:
Wir geben über Nanopartikel eine Strukturierung vor. Wir führen eine Gelierung durch, bei dieser Gelierung entsteht ein Netzwerk. Wir stellen die Maschengröße dieses Netzwerks letzten Endes durch unsere Nanopartikel ein. Dabei sind wir eigentlich ganz gut vorangekommen und haben auch schon sehr poröse Materialien im Bereich von 70 bis 80 Prozent Porosität. Die Poren sind alle kleiner als ein Mikrometer.
Die Nanopartikel geben vor, wie groß die Luftblasen im Kunststoff sein dürfen. Der innovative Dämmschaum könnte nach Ansicht von Schädler in fünf Jahren auf dem Markt sein.