Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Idealer Nanokristall aus Massenkunststoff hergestellt

28.08.2013
Polyethylen ist ein Massenkunststoff, der in vielen Haushaltsgegenständen zu finden und daher besonders preiswert herzustellen ist.

Einem Forscherteam aus Konstanz, Bayreuth und Berlin gelang es nun, aus diesem Kunststoff einen idealen Nanokristall zu synthetisieren.


Ein wasserlöslicher Ni(II)-Katalysator erlaubt die Polymerisation von Ethylen in wässriger Lösung. Die Grafik zeigt, wie die neu entstehenden Teile der PE-Kette in den wachsenden Kristall eingebaut werden. Die amorphen Bereiche wirken in dem idealen Nanokristall wie Umlenkrollen, die die Richtung der Ketten im Kristall um 180 Grad ändern. Grafik: HZB

Voraussetzung dafür war ein neuartiger Katalysator, den die Gruppe der Universität Konstanz hergestellt hat sowie eine Kombination von einzigartigen Analysemöglichkeiten, wie sie am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) zu finden sind. Die kristalline Nanostruktur, die dem Kunststoff neue Eigenschaften verleiht, könnte zum Beispiel für die Herstellung neuartiger Beschichtungen interessant sein.

Die Wissenschaftler haben ihre Ergebnisse im Journal of the American Chemical Society (DOI: 10.1021/ja4052334)veröffentlicht.

Materialien mit einer ungeordneten (amorphen) Molekülstruktur in eine kristalline Form zu bringen, ist ein häufiges Anliegen von Chemikern und Materialwissenschaftlern. Erst die Kristallstruktur verleiht einem Stoff oft die gewünschten Eigenschaften. Auch für die Grundlagenforschung ist es deshalb interessant, physikalische Prinzipien zu finden, die dem Wechsel von amorphen zu kristallinen Strukturen zugrunde liegen.

Die leistungsfähige Analytik, die man dafür braucht, ist in ihrer vielfältigen Methoden-Kombination nirgendwo so konzentriert vorhanden wie in Berlin. Seit drei Jahren betreiben das HZB und die Berliner Humboldt-Universität das gemeinsame Joint Lab for Structural Research. Für die Humboldt-Universität war dies auch ein wichtiger Faktor im Konzept der Exzellenzinitiative.

Hochpolymere Verbindungen wie Polyethylen, die als lange Molekülketten vorliegen, sind in der Regel teilkristallin. Das heißt, sie bestehen aus lamellenartigen Polyethylen-Kristallen, die von einer Schicht amorphen Polyethylens bedeckt sind. Diese amorphen Phasen weisen eine Reihe von Störstellen wie zum Beispiel Verknotungen auf. In einem „idealen Nanokristall“ jedoch wirken die amorphen Bereiche wie Umlenkrollen, die die Richtung der Ketten im Kristall um 180 Grad ändern (siehe Abbildung).

Die Synthese eines solchen idealen Kristalls gelang nun mithilfe eines neuen wasserlöslichen Katalysators, der die Polymerisation von Ethylen in wässriger Phase erlaubt. Dabei werden die neu entstehenden Teile der Molekülkette sofort von dem wachsenden Kristall erfasst, so dass sich keine Störstellen wie etwa Verschlaufungen in den amorphen Bereichen ausbilden können. Diese Erkenntnisse haben die Forscher mit Methoden der Röntgenbeugung und der cryogenen Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) gewonnen.

Die Suspension der Nanokristalle wurde von der Gruppe von Prof. Stefan Mecking an der Universität Konstanz hergestellt. Für die cryo-TEM haben die HZB-Wissenschaftler um Prof. Matthias Ballauff einen dünnen Film aus einer wässrigen Suspension der Polyethylen-Nanokristalle hergestellt und mithilfe von flüssigem tiefkaltem Ethan schockartig eingefroren. Dadurch entsteht eine glasartig erstarrte Wassermodifikation, und die eingeschlossenen Polyethylen-Nanokristalle lassen sich im Elektronenmikroskop analysieren. Zudem wurden Röntgen-Untersuchungen mit Kleinwinkelstreuung (SAXS) an diesen Suspensionen durchgeführt.

Die cryo-TEM hat ein Auflösungsvermögen um etwa ein Nanometer und ist besonders für die Untersuchung von kleinsten Strukturen in Mikroemulsionen und kolloidalen Lösungen geeignet. Zusammen mit den Röntgenbeugungsexperimenten hat dieses Verfahren den Beweis erbracht, dass tatsächlich perfekte Polymerkristalle im Nanomaßstab vorlagen. Matthias Ballauff: „Die Arbeit ist ein Beispiel für die Tatsache, dass durch Kombination von Mikroskopie und Streuung auch komplexe Systeme mit einer Genauigkeit analysiert werden können, die mit den einzelnen Verfahren nie möglich wäre."

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Matthias Ballauff
Institut Weiche Materie und Funktionale Materialien
Tel.: +49(0)30-8062-43071
matthias.ballauff@helmholtz-berlin.de
Pressestelle
Dr. Ina Helms
Tel.: +49 (0)30-8062-42034
Fax: +49 (0)30-8062-42998
ina.helms@helmholtz-berlin.de

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum
Weitere Informationen:
http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=13779
http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/ja4052334

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Sparsamer abheben dank Leichtbau-Luftdüsen
23.10.2017 | Technische Universität Chemnitz

nachricht Stickoxide: Neuartiger Katalysator soll Abgase ohne Zusätze reinigen
23.10.2017 | Forschungszentrum Jülich GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Salmonellen als Medikament gegen Tumore

HZI-Forscher entwickeln Bakterienstamm, der in der Krebstherapie eingesetzt werden kann

Salmonellen sind gefährliche Krankheitserreger, die über verdorbene Lebensmittel in den Körper gelangen und schwere Infektionen verursachen können. Jedoch ist...

Im Focus: Salmonella as a tumour medication

HZI researchers developed a bacterial strain that can be used in cancer therapy

Salmonellae are dangerous pathogens that enter the body via contaminated food and can cause severe infections. But these bacteria are also known to target...

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Konferenz IT-Security Community Xchange (IT-SECX) am 10. November 2017

23.10.2017 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Luftfracht

23.10.2017 | Veranstaltungen

Ehrung des Autors Herbert W. Franke mit dem Kurd-Laßwitz-Sonderpreis 2017

23.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Magma sucht sich nach Flankenkollaps neue Wege

23.10.2017 | Geowissenschaften

Neues Sensorsystem sorgt für sichere Ernte

23.10.2017 | Informationstechnologie

Salmonellen als Medikament gegen Tumore

23.10.2017 | Biowissenschaften Chemie