Forscher haben eine neue Klasse von Materialien namens „glasartige Gele“ entwickelt, die sehr hart und schwer zu brechen sind, obwohl sie zu über 50 % aus Flüssigkeit bestehen. In Verbindung mit der Tatsache, dass glasartige Gele einfach herzustellen sind, ist das Material für eine Vielzahl von Anwendungen vielversprechend.
Ein Artikel, der diese Arbeit beschreibt, mit dem Titel „Glassy Gels Toughened by Solvent“, erscheint im Journal Natur.
Gele und glasartige Polymere sind Materialklassen, die historisch als voneinander getrennt betrachtet wurden. Glasartige Polymere sind hart, steif und oft spröde. Sie werden zur Herstellung von Dingen wie Wasserflaschen oder Flugzeugfenstern verwendet. Gele – wie Kontaktlinsen – enthalten Flüssigkeit und sind weich und dehnbar.
„Wir haben eine Klasse von Materialien entwickelt, die wir glasartige Gele nennen. Sie sind so hart wie glasartige Polymere, können sich aber – wenn man genügend Kraft anwendet – bis auf das Fünffache ihrer ursprünglichen Länge ausdehnen, anstatt zu brechen“, sagt Michael Dickey, korrespondierender Autor eines Artikels über die Arbeit und Camille- und Henry-Dreyfus-Professor für chemische und biomolekulare Technik an der North Carolina State University. „Und wenn das Material einmal gedehnt wurde, kann man es durch Wärmezufuhr wieder in seine ursprüngliche Form zurückbringen. Darüber hinaus ist die Oberfläche der glasartigen Gele stark haftend, was für harte Materialien ungewöhnlich ist.“
„Ein wesentliches Merkmal glasartiger Gele ist, dass sie zu mehr als 50 % aus Flüssigkeit bestehen, was sie zu effizienteren Stromleitern macht als herkömmliche Kunststoffe mit vergleichbaren physikalischen Eigenschaften“, sagt Meixiang Wang, Co-Leitautorin des Artikels und Postdoktorandin an der NC State. „Angesichts der vielen einzigartigen Eigenschaften, die sie besitzen, sind wir optimistisch, dass diese Materialien von Nutzen sein werden.“
Glasartige Gele sind, wie der Name schon sagt, tatsächlich ein Material, das einige der attraktivsten Eigenschaften sowohl von glasartigen Polymeren als auch von Gelen in sich vereint. Um sie herzustellen, beginnen die Forscher mit den flüssigen Vorläufern glasartiger Polymere und mischen sie mit einer ionischen Flüssigkeit. Diese kombinierte Flüssigkeit wird in eine Form gegossen und ultraviolettem Licht ausgesetzt, das das Material „aushärtet“. Die Form wird dann entfernt und das glasartige Gel bleibt zurück.
Bildnachweis: Michael Dickey
„Die ionische Flüssigkeit ist ein Lösungsmittel wie Wasser, besteht aber vollständig aus Ionen“, sagt Dickey. „Wenn man einem Polymer normalerweise ein Lösungsmittel hinzufügt, drückt das Lösungsmittel die Polymerketten auseinander, wodurch das Polymer weich und dehnbar wird. Deshalb ist eine nasse Kontaktlinse biegsam, eine trockene Kontaktlinse hingegen nicht. In glasartigen Gelen drückt das Lösungsmittel die Molekülketten im Polymer auseinander, wodurch es dehnbar wie ein Gel wird.“
„Die Ionen im Lösungsmittel werden jedoch stark vom Polymer angezogen, was die Bewegung der Polymerketten verhindert. Die Unfähigkeit der Ketten, sich zu bewegen, macht sie glasartig. Das Endergebnis ist, dass das Material aufgrund der Anziehungskräfte hart ist, sich aufgrund des zusätzlichen Abstands jedoch noch dehnen kann.“
Die Forscher fanden heraus, dass glasartige Gele mit einer Vielzahl verschiedener Polymere und ionischer Flüssigkeiten hergestellt werden können, allerdings können nicht alle Polymerklassen zur Erzeugung glasartiger Gele verwendet werden.
„Geladene oder polare Polymere sind vielversprechend für glasartige Gele, da sie von der ionischen Flüssigkeit angezogen werden“, sagt Dickey.
Bei Tests stellten die Forscher fest, dass die glasartigen Gele weder verdunsten noch austrocknen, obwohl sie zu 50–60 % aus Flüssigkeit bestehen.
„Das vielleicht faszinierendste Merkmal der glasartigen Gele ist ihre Klebrigkeit“, sagt Dickey. „Denn obwohl wir wissen, was sie hart und dehnbar macht, können wir nur darüber spekulieren, was sie so klebrig macht.“
Die Forscher sind außerdem der Meinung, dass glasartige Gele für praktische Anwendungen vielversprechend sind, da sie leicht herzustellen sind.
„Die Herstellung glasartiger Gele ist ein einfacher Prozess, der durch Aushärten in jeder beliebigen Form oder durch 3D-Drucken erfolgen kann“, sagt Dickey. „Bei den meisten Kunststoffen mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften müssen die Hersteller Polymer als Ausgangsstoff herstellen und dieses Polymer dann zu einer anderen Anlage transportieren, wo es geschmolzen und zum Endprodukt geformt wird.“
„Wir sind gespannt, wie sich glasartige Gele einsetzen lassen und sind offen für die Zusammenarbeit mit Partnern bei der Identifizierung von Anwendungsmöglichkeiten für diese Materialien.“
Co-Leitautor des Papiers ist Xun Xiao von der University of North Carolina in Chapel Hill. Mitautoren des Papiers sind Salma Siddika, Doktorandin an der NC State, Mohammad Shamsi, ehemaliger Doktorand an der NC State, Ethan Frey, ehemaliger Student an der NC State, Brendan O’Connor, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der NC State, Wubin Bai, Professor für angewandte Physik an der UNC, und Wen Qian, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Werkstofftechnik an der University of Nebraska-Lincoln.
Mehr Informationen:
Michael Dickey, Durch Lösungsmittel gehärtete glasartige Gele, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07564-0. www.nature.com/articles/s41586-024-07564-0