Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Warum ein Wollknäuel im Computer Kunststoffe verbessern könnte

10.02.2004


Eigenschaften von Kunststoffen lassen sich mit einem von Max-Planck-Wissenschaftlern entwickelten Programm zuverlässiger vorhersagen


Abb. 1: Typischer Verknotungszustand einer langen, gelb markierten Kette in einer Polymer-Schmelze. Zu sehen ist der Verlauf der einzelnen Kette zusammen mit jenen Molekülen, mit denen sie verhakt ist, vor und nach der Vereinfachung durch die topologische Analyse.
Bild: Max-Planck-Institut für Polymerforschung


Abb. 2 (links): Illustration des Röhrenmodells. Die Polymere sind als dünne Fäden idealisiert dargestellt.

Abb. 3 (rechts): Die Borromäischen Ringe illustrieren, wie die gegenseitige Verhakung von allen Ringen gleichzeitig abhängen. Nimmt man einen Ring weg, sind auch die anderen nicht mehr miteinander verhakt.
Bilder: Max-Planck-Institut für Polymerforschung



Die elastischen Eigenschaften von Polymer-Kunststoffen hängen von den strukturellen Besonderheiten ihrer molekularen Bausteine ab. Wie verknäuelte Spaghettis können sich diese kettenförmigen Polymermoleküle nur aneinander vorbei, aber nicht durch einander hindurch bewegen. Doch welche Länge und Struktur der Moleküle zu welchen konkreten Eigenschaften führt, konnte man bisher nicht voraussagen. Eine Gruppe von Wissenschaftlern um Ralf Everaers (jetzt Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, Dresden), Gary S. Grest (Sandia National Laboratories, USA) und Kurt Kremer vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz, hat jetzt ein numerisches Verfahren entwickelt, mit dem man erstmals aus der molekularen Struktur der Polymere bestimmte makroskopischen Eigenschaften vorhersagen kann (Science, 6. Februar 2004). Das Verfahren beruht auf der konsistenten, simultanen Analyse des Verknotungszustandes aller Polymere in einer simulierten Schmelze, die alle ansonsten nicht komplett zu erfassenden Interaktionen zwischen den unzähligen Ketten vollständig berücksichtigt. Mit dem neuen Algorithmus ist man jetzt in der chemischen Industrie und Forschung, aber auch in der biomedizinischen Grundlagenforschung in der Lage, die viskoelastischen Eigenschaften vieler wichtiger Polymerklassen zu beschreiben, wie ein ausführlicher Vergleich zwischen experimentellen und Simulationsergebnissen bereits gezeigt hat.

... mehr zu:
»Kunststoff »Polymer »Röhre


Das Verhältnis zwischen den komplexen viskoelastischen Eigenschaften von Polymeren und ihrer mikroskopischen Struktur und Dynamik ist eine Schlüsselfrage sowohl in der modernen Materialforschung als auch bei der Analyse biologischer Makromoleküle, wie Aktin oder DNA. Viskoelastisch bezeichnet man das Verhalten von Materialien, die bei langsamer Kräfteeinwirkung zäh wie eine hochviskose Flüssigkeit reagieren, bei plötzlicher mechanischer Spannung dagegen elastisch wie ein Festkörper. So sind die viskoelastischen Eigenschaften von Polymeren für die Herstellung von Kunststoffprodukten jeglicher Art von großer Bedeutung.

Ob es sich um die Zähigkeit polymerer Werkstoffe, ihre Verarbeitungs- oder Fliesseigenschaften während der Produktion von Spritzgussteilen, den Abrieb von Präzisionsbauteilen in Chemie, Technik oder Medizin, die Elastizität von Gummi oder Gelen und damit auch der Textur vieler Lebensmittel handelt, oder um die Elastizität von Aktin-Netzwerken in lebenden Zellen, immer spielen dabei Verhakungen oder Verknotungen zwischen Polymeren eine entscheidende Rolle. Diese Verquickungen basieren darauf, dass die sehr langen mehr oder weniger flexiblen fadenförmigen Moleküle zufällig miteinander verknäuelt sind und bei ihrer thermischen Bewegung zwar an einander entlang rutschen, sich aber nicht durchkreuzen können, denn dafür müssten chemische Bindungen gebrochen werden.

Um diese Eigenschaften der Polymere zu erklären, hat der britische Physiker Sir Sam Edwards (Jahrgang 1928), Cambridge University, schon vor über 30 Jahren das "Röhrenmodell" für diese Substanzen entwickelt. Danach ist die Beweglichkeit von Polymeren senkrecht zu ihrer Kontur auf den mittleren Durchmesser einer Röhre beschränkt - bedingt durch die Anwesenheit anderen Molekülketten und ihre Verknotungen untereinander. Diese Röhre folgt in ihrem Verlauf der gemittelten Form des Polymer-Moleküls (vgl. Bild 2).

Erweiterungen des Röhrenmodells führten später zum so genannten Reptationsmodell (engl.: reptation = Schleichen, Schlängeln) von deGennes (Nobelpreis 1991), wonach sich Polymerketten schlangenförmig entlang der Röhre bewegen. Mit Hilfe dieser eingeschränkten Dynamik lässt sich zwar erklären, dass Polymere viskoelastisch sind, doch der Röhrendurchmesser ist dabei ein anpassbarer Parameter, d.h er kann immer nur nachträglich und dann mit recht großer Ungenauigkeit abgeleitet bzw. bestimmt werden. Genau hier liegt das entscheidende Problem, will man das Wechselverhältnis zwischen mikroskopischer Struktur und makroskopischen Eigenschaften von Polymeren verstehen. Eine Grundfrage in Biologie und Technik ist gleichermaßen: Wie kann man Verknotungen von Polymerketten quantifizieren? Welche dieser Verknotungen tragen auf welche Weise zum viskoelastischen Verhalten der Polymere bei?

Analytische Theorien, die sich damit beschäftigen, wie zwei Fäden miteinander verknäuelt sind, können dieses äußerst komplexe Problem schon aus grundsätzlichen Gründen nicht lösen. Das illustrieren die Borromäischen Ringe (s. Abb. 3), die paarweise miteinander verknotet sind, sich aber dennoch nicht trennen lassen. Analoges gilt für eine Beschränkung auf zwei, drei oder mehr Ketten. Damit sind einer rein analytisch-theoretischen Betrachtungsweise von Polymeren sehr enge Grenzen gesetzt.

Das neu entwickelte Simulationsverfahren ermöglicht es nun, den Verknotungszustand aller Polymere in einer simulierten Schmelze simultan zu analysieren und Aussagen über die Eigenschaften dieser Polymermischung zu treffen. Das hat unmittelbar wirtschaftliche Bedeutung, zum Beispiel für die chemische oder die verarbeitende Industrie, da dieser Zustand sowohl die Material- als auch die Verarbeitungseigenschaften (z.B. bei der Extrusion) ganz entscheidend mitbestimmt. "Wir sprechen hier von sehr weit verbreiteten Materialien, aus denen heute vom Plastikeimer über CDs bis hin zu Mikro- und Nanostrukturen in der (Bio-) Technologie viele Gegenstände erzeugt werden," betont Prof. Kurt Kremer, Direktor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz. "Das Verfahren erlaubt zudem auch Vorhersagen für neue, bisher nicht im Detail untersuchte Polymere."

Obwohl diese Methode von beträchtlichem ökonomischen Nutzen sein könnte, haben die Wissenschaftler ihr neues Verfahren nicht geschützt. "Diese Computersimulationen sind nur für sehr fachkundige Interessenten nutzbar, ob in der öffentlich finanzierten Grundlagenforschung oder in der Anwendung in der Industrie wie beispielsweise in Leverkusen oder Ludwigshafen", erklärt Kremer. "Wegen der Allgemeingültigkeit wäre eine Patentierung gerade der nicht-ökonomische Weg für den effektiven Transfer zur Anwendung." Vielmehr setzen die Mainzer Forscher auf den "Transfer über Köpfe" durch die kontinuierliche Heranbildung hochqualifizierter Nachwuchswissenschaftler an ihrem Institut.


Das Projekt wurde durch die Max-Planck-Gesellschaft sowie die Deutsche Forschungsgemeinschaft (Emmy-Noether-Programm) unterstützt.

Originalveröffentlichung:

Ralf Everaers, Sathish K. Sukumaran, Gary S. Grest, Carsten Svaneborg, Arvind Sivasubramanian, and Kurt Kremer
Rheology and Microscopic Topology of Entangled Polymeric Liquids


Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Kurt Kremer
Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz
Tel.: 06131 379-141
Fax: 06131 379- 340
E-Mail: kremer@mpip-mainz.mpg.de

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/instituteProjekteEinrichtungen/institutsauswahl/polymerforschung/index.html

Weitere Berichte zu: Kunststoff Polymer Röhre

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Advanced Materials: Glas wie Kunststoff bearbeiten
18.05.2018 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht Stärkstes Biomaterial der Welt schlägt Stahl und Spinnenseide
17.05.2018 | Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

Wie verleiht man Zellen neue Eigenschaften ohne ihren Stoffwechsel zu behindern? Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München veränderte Säugetierzellen so, dass sie künstliche Kompartimente bildeten, in denen räumlich abgesondert Reaktionen ablaufen konnten. Diese machten die Zellen tief im Gewebe sichtbar und mittels magnetischer Felder manipulierbar.

Prof. Gil Westmeyer, Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM und Leiter einer Forschungsgruppe am Helmholtz Zentrum München, und sein Team haben dies...

Im Focus: LZH showcases laser material processing of tomorrow at the LASYS 2018

At the LASYS 2018, from June 5th to 7th, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) will be showcasing processes for the laser material processing of tomorrow in hall 4 at stand 4E75. With blown bomb shells the LZH will present first results of a research project on civil security.

At this year's LASYS, the LZH will exhibit light-based processes such as cutting, welding, ablation and structuring as well as additive manufacturing for...

Im Focus: Kosmische Ravioli und Spätzle

Die inneren Monde des Saturns sehen aus wie riesige Ravioli und Spätzle. Das enthüllten Bilder der Raumsonde Cassini. Nun konnten Forscher der Universität Bern erstmals zeigen, wie diese Monde entstanden sind. Die eigenartigen Formen sind eine natürliche Folge von Zusammenstössen zwischen kleinen Monden ähnlicher Grösse, wie Computersimulationen demonstrieren.

Als Martin Rubin, Astrophysiker an der Universität Bern, die Bilder der Saturnmonde Pan und Atlas im Internet sah, war er verblüfft. Die Nahaufnahmen der...

Im Focus: Self-illuminating pixels for a new display generation

There are videos on the internet that can make one marvel at technology. For example, a smartphone is casually bent around the arm or a thin-film display is rolled in all directions and with almost every diameter. From the user's point of view, this looks fantastic. From a professional point of view, however, the question arises: Is that already possible?

At Display Week 2018, scientists from the Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP will be demonstrating today’s technological possibilities and...

Im Focus: Raumschrott im Fokus

Das Astronomische Institut der Universität Bern (AIUB) hat sein Observatorium in Zimmerwald um zwei zusätzliche Kuppelbauten erweitert sowie eine Kuppel erneuert. Damit stehen nun sechs vollautomatisierte Teleskope zur Himmelsüberwachung zur Verfügung – insbesondere zur Detektion und Katalogisierung von Raumschrott. Unter dem Namen «Swiss Optical Ground Station and Geodynamics Observatory» erhält die Forschungsstation damit eine noch grössere internationale Bedeutung.

Am Nachmittag des 10. Februars 2009 stiess über Sibirien in einer Höhe von rund 800 Kilometern der aktive Telefoniesatellit Iridium 33 mit dem ausgedienten...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Event News

Save the date: Forum European Neuroscience – 07-11 July 2018 in Berlin, Germany

02.05.2018 | Event News

Invitation to the upcoming "Current Topics in Bioinformatics: Big Data in Genomics and Medicine"

13.04.2018 | Event News

Unique scope of UV LED technologies and applications presented in Berlin: ICULTA-2018

12.04.2018 | Event News

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

22.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Mikroskopie der Zukunft

22.05.2018 | Medizintechnik

Designerzellen: Künstliches Enzym kann Genschalter betätigen

22.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics