Einem alten Polymer-Gedächtnis Tricks beibringen

Forscher haben Formgedächtniseigenschaften in einem kommerziell erhältlichen Polymer entdeckt, das häufig zur Herstellung von Brennstoffzellenmembranen verwendet wird. Das Polymer Nafion kann als Reaktion auf Temperaturänderungen vier verschiedene Formen annehmen – Forscher haben bereits dreifach geformte Polymere hergestellt. Es ist wohl das vielseitigste intelligente Polymer, das jemals entdeckt wurde, sagt Tao Xie , ein Polymerwissenschaftler am GM Research and Development Center in Warren, MI, der seine Ergebnisse in dieser Woche veröffentlichte Natur .

Verwandelnde Magie: Forscher haben dem Polymer Nafion beigebracht, bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Formen anzunehmen. Im Uhrzeigersinn von oben links: die ursprüngliche Form des Polymers; bei 140 °C; bei 107 ºC; und bei 68 ºC.

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Formgedächtnispolymere gehen als Reaktion auf Auslöser wie Temperatur, Licht oder Magnetfeld von einer vordefinierten Form in eine andere über. Die meisten dieser Materialien haben eine temporäre Form und einen permanenten Zustand, in den sie beim Auslösen zurückkehren. Die Polymere werden für selbstjustierende kieferorthopädische Zahnspangen, selbstbindende Nähte für die laparoskopische Chirurgie, medizinische Geräte wie Gefäßstents und Knochenimplantate sowie Flugzeuge mit Flügeln entwickelt, die sich während des Fluges verformen.



Überraschend ist die Vielseitigkeit von Nafion als Multishape-Polymer, da es ursprünglich nicht für diesen Zweck entwickelt wurde, sagt Andreas Lendlein , einem Pionier für Formgedächtnispolymere am GKSS-Forschungszentrum in Teltow, Deutschland. Xie sagt, seine Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine breite Palette von Polymeren mit ähnlichen Eigenschaften in der Lage sein könnte, ihre Form mehrmals zu ändern.

Die formwandelnden Eigenschaften von Nafion deuten auch darauf hin, dass es mehr als vier Formen annehmen könnte. Das Polymer kann so programmiert werden, dass es sich bei beliebigen Temperaturen innerhalb eines breiten Bereichs morpht, solange diese Temperaturen gut getrennt sind. Xie konnte drei Übergänge programmieren, was insgesamt vier Formen ergab. Sie fragen sich, an wie viele sie sich erinnern können, sagt er.

Je mehr Formen man sich merken kann, desto komplexer kann man Struktur und Funktion gestalten, sagt Christoph Weder, Polymerchemiker an der Universität Freiburg in der Schweiz. Es könnte zum einen die aktuellen Anwendungen erweitern: Flugzeugflügel, die vier verschiedene Formen annehmen; Raumfahrzeugantennen, die sich auf verschiedene Breiten ausdehnen; und Stents mit einstellbarer Breite, die von einem breiteren Blutgefäß zu einem schmaleren bewegt werden könnten oder die am Zweig einer Arterie platziert werden könnten.

2006 entwickelten Lendlein und seine Kollegen ein Material, das als Reaktion auf Wärmeänderungen drei Formen annehmen kann. Der Schlüssel war, zwei Arten von Polymeren mit unterschiedlichen Schmelzpunkten zu entwickeln. Das Material behielt eine Form bei Raumtemperatur, wechselte in eine zweite Form, wenn es über einen Schmelzpunkt erhitzt wurde, und eine endgültige Form, wenn es auf eine noch höhere Temperatur erhitzt wurde.

Bei Nafion, sagt Xie, müssen wir nichts Besonderes machen. Es kann so programmiert werden, dass es mehrere Formen hält, da es einen breiten Temperaturbereich von 55 °C bis 130 °C hat, in dem es weich und gummiartig bleibt und sich verformen lässt. Die meisten Polymere haben eine solche Glasübergangstemperatur; sie sind oben gummiartig und unten spröde.

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Das Programmieren des Polymers umfasst das Erhitzen auf eine hohe Temperatur innerhalb des Glasübergangsbereichs, das Verformen und das anschließende Abkühlen auf eine niedrigere Temperatur, während die Verformungskraft beibehalten wird. Nach dem [Abkühlen]-Ereignis ist diese Form gesperrt, sagt Xie. Durch Verformen des Polymers und erneutes Abkühlen werden zusätzliche Formen programmiert.

Xie konnte Nafion dreimal programmieren. Das Polymer verknüpft die drei temporären Formen – lang, länger und gebogen – mit den Temperaturen, bei denen es verformt wurde. Wenn es erhitzt wird, durchläuft es die temporären Formen, von gebogen zu gerade und dann bei diesen voreingestellten Temperaturen kürzer, bis es seine dauerhafte Form erreicht.

Weder das Material noch das Konzept seien neu, sagt Weder, aber dies sei eine interessante Arbeit und neuartig, da es sich um das erste Vier-Form-Gedächtnismaterial handele. Xie nimmt ein Stück Polymer, das jeder kennt, spielt damit herum und zeigt mit diesem Polymer einen neuen Trick, sagt er. Im Prinzip sehe ich nicht ein, warum es nicht mehr Formen annehmen kann.

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