Molekularer Webstuhl

  • 17. February 2017

Zweidimensionales Polymergewebe entsteht auf metallorganischem Gerüst.

Das selbstorganisierte Verknüpfen von Polymerfäden, also extrem langen Molekülen, zu zwei­dimensionalen Geweben ist eine der großen Heraus­forderungen der Polymer­chemie. Mithilfe eines Bottom-up-Prozesses, der kleinere Moleküle, Monomere, in geeigneter Weise verknüpft, sind am KIT Wissenschaftler des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) sowie des Instituts für Nano­technologie (INT) diesem Ziel nun einen wesentlichen Schritt näher gekommen: Sie fertigten Gewebe aus mono­molekularen Polymer­fäden, wobei ihnen SURMOFs – auf Oberflächen verankerte metall­organische Gerüste – sozusagen als Webstühle dienten.

Abb.: Das metallorganische Gerüst ist sandwichartig aufgebaut (a). In einer aktiven Schicht, eingebettet zwischen Opferschichten, wird die molekulare Textilie (b) gewebt. (Bild: KIT)

Abb.: Das metallorganische Gerüst ist sandwichartig aufgebaut (a). In einer aktiven Schicht, eingebettet zwischen Opferschichten, wird die molekulare Textilie (b) gewebt. (Bild: KIT)

Die am IFG des KIT entwickelten SURMOFs (Surface Mounted Metal-Organic Frameworks) sind Gerüste aus metallischen Knoten­punkten und organischen Verbindungs­elementen, die Schicht für Schicht auf einem Substrat aufgebaut werden. Sie haben eine kristalline Struktur und lassen sich durch die Kombination verschiedener Materialien sowie die Variation der Poren­größe für unterschiedliche Anwendungen maßschneidern.

Um die SURMOFs zum Weben zweidimensionaler Textilien einzusetzen, bauten die Karlsruher Forscher in die einzelnen SURMOF-Schichten spezielle Verbindungs­elemente ein: Vier­armige Monomere, die alle exakt auf eine spätere Verknüpfung ausgerichtet sind. Die Wissenschaftler fügten diese aktiven SURMOF-Schichten zwischen sogenannten Opfer­schichten ein. „So erreichten wir einen sandwich­artigen Aufbau, der gewährleistet, dass die hergestellten Gewebe tatsächlich zwei­dimensional, das heißt nur eine Molekül­lage dick sind“, berichtet Christof Wöll, Leiter des IFG.

Die Forscher führten in den aktiven SURMOF-Schichten mithilfe eines Katalysators eine Reaktion zur Verknüpfung der Monomere zu Polymeren herbei. Anschließend lösten sie die metallischen Knoten­punkte einfach heraus. Übrig blieben flache Gewebe aus mono­molekularen Polymer­fäden. „Die Polymerfäden werden untereinander ausschließlich von den durch das Webmuster bedingten mechanischen Kräften zusammen­gehalten“, erklärt Marcel Mayor. „Damit sind die molekularen Gewebe ebenso flexibel wie die auf herkömmliche Weise gefertigten Textilien.“

KIT / DE

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