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 Beschichtung lässt Muscheln abrutschen
18.08.2017 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

nachricht PKW-Verglasung aus Plastik?
15.08.2017 | Technische Hochschule Mittelhessen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Platz 2 für Helikopter-Designstudie aus Stade - Carbontechnologie-Studenten der PFH erfolgreich

Bereits lange vor dem Studienabschluss haben vier Studenten des PFH Hansecampus Stade ihr ingenieurwissenschaftliches Können eindrucksvoll unter Beweis gestellt: Malte Blask, Hagen Hagens, Nick Neubert und Rouven Weg haben bei einem internationalen Wettbewerb der American Helicopter Society (AHS International) den zweiten Platz belegt. Ihre Aufgabe war es, eine Designstudie für ein helikopterähnliches Fluggerät zu entwickeln, das 24 Stunden an einem Punkt in der Luft fliegen kann.

Die vier Kommilitonen sind im Studiengang Verbundwerkstoffe/Composites am Hansecampus Stade der PFH Private Hochschule Göttingen eingeschrieben. Seit elf...

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Zukunft des Leichtbaus: Mehr als nur Material einsparen

23.08.2017 | Veranstaltungen

Logistikmanagement-Konferenz 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Spot auf die Maschinerie des Lebens

23.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die Sonne: Motor des Erdklimas

23.08.2017 | Physik Astronomie

Entfesselte Magnetkraft

23.08.2017 | Physik Astronomie