Im Jahr 1839 entdeckte der Chemiker Charles Goodyear zufällig, dass beim Erhitzen von Naturkautschuk mit Schwefel ein elastisches Material entsteht: Gummi. Bei der chemischen Reaktion bilden sich netzartige Querverbindungen zwischen den Kautschukmolekülen, die die klebrige Rohmasse in ein dehnbares Polymernetzwerk verwandeln. Gummi ist aufgrund der im Material wirkenden Kräfte jedoch nicht besonders robust. Seither gilt in den Materialwissenschaften das Dogma: Je steifer ein Polymer-Material ist, desto stabiler, aber weniger dehnbar ist es. Auf der Suche nach flexiblen Materialien mussten die Entwickler daher bisher immer einen Kompromiss eingehen zwischen Festigkeit und Elastizität. Wer ein Polymer-Material steifer und robuster machen will, muss mehr Querverbindungen ins Polymernetzwerk einbauen, dafür aber auf etwas Dehnbarkeit verzichten und in Kauf nehmen, dass das Material bei Ausdehnung bricht oder ausleiert.
Flaschenbürsten-Design erhöht die Dehnbarkeit
Nun hat ein Team um Baiqiang Huang von der University of Virginia dieses Dogma widerlegt. „Wir sind eine grundlegende Herausforderung angegangen, die als unlösbar galt“, sagt Huangs Kollege Liheng Cai, Seniorautor der Studie. Die Materialwissenschaftler haben ein „faltbares Flaschenbürsten-Polymer-Netzwerk“ entwickelt, das ohne Querverbindungen im Netzwerk auskommt. Die Struktur dieses Polymer-Materials ähnelt einer Flaschenbürste mit vielen flexiblen Seitenketten, die von einem zentralen Rückgrat ausgehen. Das Rückgrat, sozusagen der Bürstenstiel, enthält ein durch innere Kräfte zusammengeknülltes fadenartiges Knäuel aus Polymer-Material, das sich ausdehnen und wieder zusammenziehen kann. Dadurch erhält das Polymer seine Dehnbarkeit. Die Seitenketten der „Borsten“ sorgen zugleich für die gewünschte Steifigkeit – unabhängig von der Struktur und Länge des Rückgrats. Dehnbarkeit und Festigkeit sind damit erstmals entkoppelt.
Im Vergleich zu Standardpolymeren kann sich das Flaschenbürsten-Polymer so bis zu 40-mal stärker ausdehnen, ohne an Festigkeit zu verlieren, berichten die Forschenden. Dieses faltbare Flaschenbürsten-Design lässt sich ihnen zufolge auf beliebige chemische Bausteine anwenden und stellt daher eine „universelle“ Strategie dar, um dehnbare und zugleich robuste Polymernetzwerke aus unterschiedlichen Materialien herzustellen. In ihren Prototypen verwendeten Huang und seine Kollegen beispielsweise Polymerbausteine für die Seitenketten, die auch bei kalten Temperaturen flexibel bleiben. Durch andere Bausteine für die Seitenketten stellten sie hingegen ein Gel her, das die Struktur von lebendem Gewebe nachahmen kann.
Unendliche Möglichkeiten für neue Materialien
Huang und seine Kollegen gehen daher davon aus, dass mit ihrem Design nun eine Reihe neuer robuster Gummi-Materialien für verschiedenste Zwecke entwickelt werden kann: von Autoreifen bis zu Medizinprodukten wie Prothesen und Implantaten. „Stellen Sie sich zum Beispiel ein Herzimplantat vor, das sich mit jedem Herzschlag biegt, aber trotzdem jahrelang hält“, sagt Huang. Aus den Flaschenbürsten-Polymere könnten auch tragbare Elektronik für Menschen oder künstliche Muskeln für Roboter hergestellt werden, so das Team.
