Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kunststoffe instabiler als angenommen - Zugkräfte lassen Bindungen schmelzen

28.02.2008
Wissenschaftler der Hochschule München und der Christian-Albrechts-Universität Kiel weisen nach, dass Kunststoffe instabiler sind als bislang angenommen.

Die Lebensdauer von chemischen Bindungen in Kunststoffen lässt sich durch anhaltende Krafteinwirkung drastisch verkürzen, so dass es schon bei wesentlich geringeren Zugkräften als bisher angenommen zur Zerstörung der Bindungen und damit zum Materialversagen kommen kann. Dies konnten Wissenschaftler der Hochschule München in Zusammenarbeit mit der Christian-Albrechts-Universität Kiel nachweisen.

Mit einem Rasterkraftmikroskop haben sie den Kraftverlauf bei der Dehnung von kovalenten Silizium-Kohlenstoff-Bindungen in Polymer-Molekülen bis hin zum Zerreißen untersucht und das Verhalten mit einem theoretischen Modell erklärt. Die Arbeit, die im Rahmen des Exzellenz-Clusters "Nanosystems Initiative Munich" (NIM) entstand, wurde jetzt vorab in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift "Journal of the American Chemical Society" (JACS) veröffentlicht.

Unvorhergesehenes Materialversagen kann weit reichende Folgen haben, zum Beispiel wenn ein Bungee-Seil reißt, ein Reifen platzt oder das Dach einer Halle einstürzt. Aus diesem Grund möchten MaterialwissenschaftlerInnen möglichst genau verstehen, welche physikalischen Vorgänge ablaufen, wenn Materialien einer Belastung nicht mehr standhalten können. Reißt zum Beispiel ein Kunststoff-Seil, dann liegt das daran, dass sich die chemischen Bindungen zwischen den Atomen der Polymer-Struktur aufgrund der anliegenden Kräfte lösen. Dabei ist man bisher immer davon ausgegangen, dass die Zugbelastung die maximale Bindungskraft überschreiten muss, um eine Bindung aufzutrennen.

... mehr zu:
»Nanosystem

Der Diplom-Ingenieur Sebastian Schmidt in der Arbeitsgruppe von Professor Hauke Clausen-Schaumann an der Hochschule München konnte in Zusammenarbeit mit dem Chemie-Professor Martin Beyer von der Christian-Albrechts-Universität Kiel nun nachweisen, dass sich die in Polymeren vorherrschenden kovalenten Bindungen schon bei einer Zugbelastung lösen, die weit unterhalb der maximalen Bindungskraft liegt. Einzige Bedingung: die Zugbelastung muss über einen gewissen Zeitraum andauern.

Um zu diesem Ergebnis zu gelangen, haben die Forscher mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops (AFM) Moleküle des Zucker-ähnlichen Polymers Carboxymethylamylose mit verschiedenen Zuggeschwindigkeiten bis zum Zerreißen gedehnt und dabei den Kraftverlauf gemessen. So konnte gezeigt werden, dass die für die Stabilität der Verbindung maßgeblichen Silizium-Kohlenstoff-Bindungen schon bei geringen aber anhaltenden Kräften zerstört werden. Eine Erklärung haben die Wissenschaftler dafür auch parat: Durch die angelegte Kraft wird die Bindungsenergie so weit abgesenkt, dass die Bindung bereits bei Raumtemperatur thermisch zerstört werden kann. Ihre Lebensdauer reduziert sich dadurch auf Sekundenbruchteile und die Bindung löst sich blitzschnell auf. Das dahinter steckende theoretische Modell liefert die so genannte Arrhenius-Gleichung, deren Gültigkeit für den Abriss kovalenter Bindungen bisher noch nicht bewiesen werden konnte. Dieser Beweis ist den Münchner Wissenschaftlern jetzt mit ihrem Experiment gelungen.

Diese grundlegenden Erkenntnisse könnten zu einem tieferen Verständnis von Materialermüdung und Materialversagen beitragen und der Entwicklung neuer Kunststoffe dienen, die außergewöhnlich lang anhaltenden Belastungen widerstehen sollen.

Die vorab in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift "Journal of the American Chemical Society" veröffentlichte Arbeit wurde vom Exzellenz-Cluster "Nanosystems Initiative Munich" (NIM) unterstützt, das es sich zum Ziel gesetzt hat, funktionale Nanostrukturen für Anwendungen in der Medizin und in der Informationsverarbeitung zu entwickeln und zu erforschen.

Veröffentlichung:
Dynamic Strength of the Silicon-Carbon Bond Observed Over Three Decades of Force-Loading Rates, Sebastian W. Schmidt, Martin K. Beyer and Hauke Clausen-Schaumann, JACS (2008)
Kontakt:
Prof. Dr. Hauke Clausen-Schaumann
Hochschule München
Fakultät für Feinwerk- und Mikrotechnik, Physikalische Technik
Tel.: +49 (0) 89 / 1265 - 1417 (Büro), +49 (0) 89 / 1265 - 1671 (Labor)
E-Mail: clausen-schaumann@hm.edu
Prof. Dr. Martin Beyer
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Institut für Physikalische Chemie
Tel.: +49 (0) 43 / 8802831
E-Mail: beyer@phc.uni-kiel.de
Dr. Peter Sonntag
Nanosystems Initiative Munich
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Tel.: +49 (0) 89 / 2180 - 5091
E-Mail: peter.sonntag@lmu.de

Christina Kaufmann | idw
Weitere Informationen:
http://www.nano-initiative-munich.de

Weitere Berichte zu: Nanosystem

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Auxetische Membranen - Paradoxes Ersatzgewebe für die Medizin
04.12.2019 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

nachricht TU Ilmenau erforscht intelligente Werkstoffe für biologisch inspirierte Elektronik
04.12.2019 | Technische Universität Ilmenau

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Geminiden - Die Wünsch-dir-was-Sternschnuppen vor Weihnachten

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde (VdS) und des Hauses der Astronomie in Heidelberg - Die Geminiden, die Mitte Dezember zu sehen sind, sind der "zuverlässigste" der großen Sternschnuppen-Ströme mit bis zu 120 Sternschnuppen pro Stunde. Leider stört in diesem Jahr der Mond zur besten Beobachtungszeit.

Sie wurden nach dem Sternbild Zwillinge benannt: Die „Geminiden“ sorgen Mitte Dezember immer für ein schönes Sternschnuppenschauspiel. In diesem Jahr sind die...

Im Focus: Das 136 Millionen Atom-Modell: Wissenschaftler simulieren Photosynthese

Die Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie ist für das Leben unerlässlich. In einer der größten Simulationen eines Biosystems weltweit haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diesen komplexen Prozess an einem Bestandteil eines Bakteriums nachgeahmt – am Computer, Atom um Atom. Die Arbeit, die jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Cell“ veröffentlicht wurde, ist ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis der Photosynthese in einigen biologischen Strukturen. An der internationalen Forschungskooperation unter Leitung der University of Illinois war auch ein Team der Jacobs University Bremen beteiligt.

Das Projekt geht zurück auf eine Initiative des inzwischen verstorbenen, deutsch-US-amerikanischen Physikprofessors Klaus Schulten von der University of...

Im Focus: Developing a digital twin

University of Texas and MIT researchers create virtual UAVs that can predict vehicle health, enable autonomous decision-making

In the not too distant future, we can expect to see our skies filled with unmanned aerial vehicles (UAVs) delivering packages, maybe even people, from location...

Im Focus: Freiformflächen bis zu 80 Prozent schneller schlichten: Neue Werkzeuge und Algorithmen für die Fräsbearbeitung

Beim Schlichtfräsen komplexer Freiformflächen können Kreissegment- oder Tonnenfräswerkzeuge jetzt ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Werkzeugen mit Kugelkopf besser ausspielen: Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen entwickelte im Forschungsprojekt »FlexiMILL« gemeinsam mit vier Industriepartnern passende flexible Bearbeitungsstrategien und implementierte diese in eine CAM-Software. Auf diese Weise lassen sich große frei geformte Oberflächen nun bis zu 80 Prozent schneller bearbeiten.

Ziel im Projekt »FlexiMILL« war es, für die Bearbeitung mit Tonnenfräswerkzeugen nicht nur neue, verbesserte Werkzeuggeometrien zu entwickeln, sondern auch...

Im Focus: Bis zu 30 Prozent mehr Kapazität für Lithium-Ionen-Akkus

Durch Untersuchungen struktureller Veränderungen während der Synthese von Kathodenmaterialen für zukünftige Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus haben Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und kooperierender Einrichtungen neue und wesentliche Erkenntnisse über Degradationsmechanismen gewonnen. Diese könnten zur Entwicklung von Akkus mit deutlich erhöhter Kapazität beitragen, die etwa bei Elektrofahrzeugen eine größere Reichweite möglich machen. Über die Ergebnisse berichtet das Team in der Zeitschrift Nature Communications. (DOI 10.1038/s41467-019-13240-z)

Ein Durchbruch der Elektromobilität wird bislang unter anderem durch ungenügende Reichweiten der Fahrzeuge behindert. Helfen könnten Lithium-Ionen-Akkus mit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

QURATOR 2020 – weltweit erste Konferenz für Kuratierungstechnologien

04.12.2019 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Arbeit

03.12.2019 | Veranstaltungen

Intelligente Transportbehälter als Basis für neue Services der Intralogistik

03.12.2019 | Veranstaltungen

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

Geminiden - Die Wünsch-dir-was-Sternschnuppen vor Weihnachten

09.12.2019 | Physik Astronomie

Verstopfung in Abwehrzellen löst Entzündung aus

09.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

Vorbild Zelle: Internationales Forschungsteam sucht neue Wege für umweltfreundliche Chemie-Prozesse

09.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

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