Eine Forschungsgruppe unter der Leitung des leitenden Forschers Jianwei Li am MediCity Research Laboratory hat eine neue Art von Materialien, sogenannte supramolekulare Kunststoffe, erforscht, die die herkömmlichen polymeren Kunststoffe durch ein umweltfreundlicheres Material ersetzen würden, das eine nachhaltige Entwicklung fördert. Die mechanischen Eigenschaften des von den Forschern mittels Flüssig-Flüssig-Phasentrennung geschaffenen supramolekularen Kunststoffs seien mit herkömmlichen Polymeren vergleichbar, der neue Kunststoff zersetze sich jedoch viel leichter und wäre einfacher wiederzuverwenden.
Kunststoff ist eines der wichtigsten modernen Materialien und hat sich nach einem Jahrhundert der Entwicklung in alle Aspekte des menschlichen Lebens integriert. Herkömmliche Polymerkunststoffe werden jedoch in der Natur schlecht abgebaut und regenerieren sich und sind zu einer der größten Bedrohungen für das Überleben der Menschheit geworden. Diese Situation ist ein Ergebnis der inhärenten starken Kraft kovalenter Bindungen, die Monomere zur Bildung von Polymeren verbinden.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben Wissenschaftler vorgeschlagen, Polymere herzustellen, die durch nicht-kovalente Bindungen verbunden sind, die nicht so stark sind wie kovalente Bindungen. Leider ist die schwächere Wechselwirkung normalerweise nicht stark genug, um Moleküle in Materialien mit makroskopischen Größen zusammenzuhalten, was die praktische Anwendung von nichtkovalenten Materialien verhindert.
Die Jianwei Li-Forschungsgruppe an der Universität Turku, Finnland, hat entdeckt, dass ein physikalisches Konzept namens Flüssig-Flüssig-Phasentrennung (LLPS) gelöste Stoffe sequestrieren und konzentrieren kann, wodurch die Bindungskraft zwischen Molekülen gestärkt und die Bildung makroskopischer Materialien vorangetrieben wird. Die mechanischen Eigenschaften des resultierenden Materials waren mit herkömmlichen Polymeren vergleichbar. Darüber hinaus konnten die Fragmente, sobald das Material in Stücke zerbrochen war, wieder vereint und sofort selbst geheilt werden. Außerdem war das Material ein Klebstoff, wenn gesättigte Wassermengen eingekapselt waren. So hielten die Verbindungsproben aus Stahl ein Gewicht von 16 kg über einen Monat lang aus.
Schließlich war das Material dank der dynamischen und reversiblen Natur der nichtkovalenten Wechselwirkungen abbaubar und in hohem Maße recycelbar.
„Vergleichbar mit herkömmlichen Kunststoffen sind unsere neuen supramolekularen Kunststoffe intelligenter, da sie nicht nur die starken mechanischen Eigenschaften beibehalten, sondern auch dynamische und reversible Eigenschaften behalten, die das Material selbstheilend und wiederverwendbar machen“, erklärt Postdoktorandin Dr. Jingjing Yu.
„Eines der kleinen Moleküle, die den supramolekularen Kunststoff produzierten, wurde zuvor aus einem komplexen chemischen System herausgesiebt. Es bildete intelligente Hydrogelmaterialien mit Magnesiummetallkationen. Dieses Mal freuen wir uns sehr, diesem alten Molekül mit LLPS neue Tricks beizubringen“, sagt er der Hauptforscher des Labors, Dr. Jianwei Li.
„Neuere Beweise haben gezeigt, dass LLPS ein bedeutender Prozess bei der Bildung von Zellkompartimenten sein könnte. Jetzt haben wir dieses bio- und physikalisch inspirierte Phänomen weiterentwickelt, um die große Herausforderung für unsere Umwelt anzugehen. Ich glaube, dass weitere interessante Materialien erforscht werden den LLPS-Prozess in naher Zukunft“, sagt Li.
Die Studie wurde veröffentlicht in Angewandte Chemie.
Jingjing Yu et al, Auf kleinen Molekülen basierende supramolekulare Kunststoffe, vermittelt durch Flüssig-Flüssig-Phasentrennung, Internationale Ausgabe der Angewandten Chemie (2022). DOI: 10.1002/ange.202204611