Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hochfeste Materialien aus dem Druckkochtopf

18.03.2014

Überraschung in der Materialchemie: Mit Hitze und Druck können an der TU Wien Materialien für den Leichtbau, Schutzkleidung oder Sportgeräte hergestellt werden – besser, schneller und umweltfreundlicher als bisher.

Die Erdkruste funktioniert wie ein Dampfkochtopf. Bei großer Hitze und hohem Druck können Mineralien entstehen, die sich an der Erdoberfläche nicht so einfach bilden würden. Für die Synthese organischer Moleküle hingegen hielt man solch extreme Bedingungen lange Zeit für völlig ungeeignet. An der TU Wien stellte sich nun allerdings heraus, dass sich gerade durch Druck und hohe Temperatur organische Materialien mit außerordentlich guten Eigenschaften herstellen lassen – etwa Kevlar, ein vielseitig einsetzbares Hochleistungsmaterial.


„Mikro-Blumen“ aus PPPI, dem mechanisch stabilsten organischen Polymer der Welt. Die hochkristallinen Blumen haben einen Durchmesser von etwa fünf Mikrometern. TU Wien


Sofia Torres Venegas überprüft ein Ventil des Hochdruckreaktors. TU Wien

Wasserdampf statt Gift

Eigentlich widerspricht die Idee jeder Intuition: Bei großen, komplizierten organischen Molekülen würde man eher erwarten, dass sie durch Druck und Hitze kaputtgehen. Doch Miriam Unterlass stellt mit ihrem Team am Institut für Materialchemie der TU Wien bei knapp 200 Grad und 17 Bar organische Polymere her, die bisher nur mit großem Aufwand und unter Einsatz von höchst giftigen Zusatzstoffen produziert werden konnten. Statt wie bei herkömmlichen Verfahren mit toxischen Lösungsmitteln zu arbeiten, kommt sie mit heißem Wasserdampf aus, es handelt sich daher um eine ausgesprochen umweltfreundliche Synthesemethode.

In der Geologie kennt man das Phänomen der sogenannten „Hydrothermalsynthese“ schon lange. Viele Edelsteine entstehen nur in großer Tiefe, wo sie sich unter hohem Druck in Wasserreservoirs bilden. Im Gegensatz zu solchen anorganischen Mineralien, die oft zu einem großen Teil aus Silizium oder Metallen bestehen, sind heute allerdings viele Hochleistungsmaterialien organisch – sie sind hauptsächlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebaut.

Ein Beispiel dafür ist das extrem widerstandsfähige Kevlar, das man für Schutzkleidung oder Bauteile mit extremer mechanischer Belastung verwendet. Auch für den Flugzeugbau sind solche höchst stabilen Materialien wichtig, weil sie oft nur einen Bruchteil dessen wiegen, was Metallteile mit vergleichbaren Eigenschaften auf die Waage bringen. Aus organischen Molekülen lassen sich Polymere mit einer sehr festen Struktur erzeugen, in der eine Vielzahl von Bindungen zwischen den Atomen für eine hohe Belastbarkeit sorgt. 

Extrem belastbar, aber schwer zu synthetisieren

Derart feste Materialien sind aber schwer herzustellen: „Wir haben es mit einem Widerspruch zwischen verschiedenen Anforderungen zu tun“, erklärt Miriam Unterlass. „Einerseits will man extrem starre Materialien, die auch bei großer Hitze nicht gleich schmelzen und sich nicht auflösen, doch andererseits ist es dann genau dadurch nicht möglich, die Stoffe zu lösen um sie dann in einer passenden Form kristallisieren zu lassen, wie man das etwa mit Salzen macht.“ Beim Verfahren, an dem die TU Wien arbeitet, läuft die Reaktion daher anders ab: Aus den Startmaterialien werden unter hohem Druck die gewünschten Moleküle synthetisiert, und im selben Schritt kristallisieren sie gleichzeitig zu einem Polymer.

Das neue Verfahren hat viele Vorteile: Man kann nicht nur auf gefährliche Nebenprodukte verzichten, man kommt auch mit deutlich weniger Energie aus, außerdem ist die Synthese im Druckreaktor schneller als bei bisherigen Verfahren. Auch das Endprodukt ist besser: „Wir können mit unserer Methode Materialien mit höherer Kristallinität herstellen, dadurch erreichen wir eine noch bessere mechanische Festigkeit“, sagt Miriam Unterlass. 

Der Blick ins Innere mit Infrarot-Licht

Die Details des Verfahrens sind kompliziert: Man muss den Masse- und Energietransport im Druckreaktor genau kennen, um die Vorgänge verstehen zu können. Freilich kann man den Reaktor, in dem nicht nur hohe Temperatur sondern auch ein hoher Druck herrscht, während des Syntheseprozesses einfach öffnen um nachzusehen, was drinnen gerade passiert. Daher wurde nun eine spezielle Infrarot-Sonde gekauft, die den extremen Bedingungen im Reaktor problemlos standhalten. „Die Sonde kommt direkt in den Reaktor, so können wir die Vorgänge im Inneren beobachten, ohne Proben aus dem System entnehmen zu müssen“, erklärt Unterlass.

Mit der neuen Hochtemperatur-IR-Sonde – es ist weltweit erst das zweite Gerät dieser Art - soll es nun noch einfacher und gezielter als bisher möglich sein, neue Materialien und neue Synthesemethoden zu entwickeln. Ideen gibt es genug: „Es gibt eine riesengroße Anzahl von organischen Molekülen, die tolle Materialeigenschaften versprechen, wenn es gelingt, aus ihnen Polymere herzustellen“, ist Unterlass sicher.

Rückfragehinweis:
Dr. Miriam Unterlass
Institut für Materialchemie
Technische Universität Wien
Getreidemarkt 9, 1060 Wien
T: +43-1-58801-165206
miriam.unterlass@tuwien.ac.at

Weitere Informationen:

http://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2014/druckkochtopf/ Weitere Bilder
http://www.unterlasslab.com/ Miriam Unterlass und ihr Team

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Bessere Kathodenmaterialien für Lithium-Schwefel-Akkus
17.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Energie, sicher und leicht transportiert – Adaptive Verarbeitung komplexer Steuerungsdaten
17.05.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Im Focus: XENON1T: Das empfindlichste „Auge“ für Dunkle Materie

Gemeinsame Meldung des MPI für Kernphysik Heidelberg, der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster

„Das weltbeste Resultat zu Dunkler Materie – und wir stehen erst am Anfang!“ So freuen sich Wissenschaftler der XENON-Kollaboration über die ersten Ergebnisse...

Im Focus: World's thinnest hologram paves path to new 3-D world

Nano-hologram paves way for integration of 3-D holography into everyday electronics

An Australian-Chinese research team has created the world's thinnest hologram, paving the way towards the integration of 3D holography into everyday...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

Branchentreff für IT-Entscheider - Rittal Praxistage IT in Stuttgart und München

22.05.2017 | Veranstaltungen

Flugzeugreifen – Ähnlich wie PKW-/LKW-Reifen oder ganz verschieden?

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Myrte schaltet „Anstandsdame“ in Krebszellen aus

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

22.05.2017 | Physik Astronomie

Wie sich das Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie