Niedermolekulare organische Eutektika bieten Potenzial für den Ersatz von Kunststoffen

Kunststoffe sind seit langem ein fester Bestandteil der modernen Fertigung, doch ihre Umweltauswirkungen haben die Nachfrage nach umweltfreundlichen Alternativen erhöht. Forscher der University of Warwick haben bei der Suche nach nachhaltigen Alternativen zu herkömmlichen Kunststoffen erhebliche Fortschritte gemacht.

Als Reaktion auf wachsende Umweltbedenken, den Übergang zu einer Kreislaufwirtschaft und veränderte Verbraucherpräferenzen hat das Forschungsteam festgestellt, dass bestimmte Mischungen kleiner organischer Moleküle – Materialien, die durch Mischen kristalliner Komponenten entstehen – interessante Gläser und viskose Flüssigkeiten bilden. Diese sogenannten organischen Eutektika sind vielversprechende Kandidaten für den Ersatz von Polymeren in verschiedenen Produkten.

Das Team entwickelte erfolgreich eine Reihe hydrophober eutektischer molekularer Flüssigkeiten und Gläser, die jeweils sorgfältig durch die Kombination verschiedener kristalliner Komponenten hergestellt wurden. Mithilfe moderner Techniken wie der Differential Scanning Calorimetry (DSC) und der UV-Vis-Spektroskopie konnten die eutektischen Zusammensetzungen präzise bestimmt werden. Die Analyse wurde mithilfe eines trainierten Regressionsmodells mit partiellen kleinsten Quadraten verfeinert, um eine genaue Ermittlung der optimalen Materialmischungen sicherzustellen.

Eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung nachhaltiger Kunststoffalternativen ist die Gewährleistung der Langzeitstabilität. Das Warwick-Team ging diese Herausforderung an, indem es die amorphen Materialien über einen längeren Zeitraum von bis zu 14 Monaten testete und dabei Pulverröntgenbeugung (PXRD) verwendete, um ihre Beständigkeit gegen Kristallisation zu bestätigen. Diese Haltbarkeit ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die Produkte während ihrer gesamten Haltbarkeitsdauer ihre Integrität behalten.

Neben der Stabilität untersuchten die Forscher auch die Verarbeitbarkeit dieser Materialien, indem sie ihre rheologischen Eigenschaften untersuchten. Sie fanden heraus, dass alle Flüssigkeiten niedrige Fragilitätsindizes aufwiesen und sich daher für verschiedene Herstellungsverfahren eigneten, darunter Glasblasen, Faserziehen, Filmbildung und Formen.

Wichtig ist, dass das Team zeigte, dass die Eigenschaften dieser Materialien durch die Mischung verschiedener eutektischer Systeme oder die Einarbeitung von Weichmachern an bestimmte Anwendungen angepasst werden können.

Prof. Dr. ir. Stefan Bon, der leitende Forscher der Studie, veröffentlicht In Chemische Wissenschaftsagt: „Der ursprüngliche Plan bestand darin, ein Konzeptmaterial für die Formulierungsindustrie zu entwickeln, das alles andere als aus Kunststoff besteht.

„Dr. Joshua Ryan, ein talentierter ehemaliger Doktorand in meinem Team, BonLab, führte eine systematische Studie über die Mischung kleiner hydrophober organischer Moleküle durch, die eine Vielzahl nichtkovalenter Wechselwirkungen miteinander eingehen konnten. Dass diese hydrophoben eutektischen Systeme so bemerkenswerte physikalische Eigenschaften hatten, übertraf unsere anfänglichen Erwartungen.

„Wir haben unseren Kollegen Prof. Gabriele Sosso an Bord geholt, um durch Computersimulationen zu untersuchen, wie diese eutektischen Mischungen auf molekularer Ebene interagieren. Diese organischen eutektischen Systeme mit kleinen Molekülen bieten die Möglichkeit, Hochleistungsmaterialien weiterzuentwickeln, die herkömmliche Polymere in verschiedenen Anwendungen ersetzen können.

„In gewisser Weise können sie als nicht-kovalentes Analogon zu dynamischen, reversiblen makromolekularen kovalenten Materialien, den sogenannten Vitrimeren, betrachtet werden.“

Um das praktische Potenzial dieser Materialien zu demonstrieren, führten die Forscher eine Studie zur kontrollierten Freisetzung durch, bei der sie ein eutektisches System aus 4-Hydroxychalkon und Bifonazol als Matrix verwendeten. Diese Studie dient als Machbarkeitsnachweis und unterstreicht die Vielseitigkeit eutektischer Materialien in Anwendungen wie der Arzneimittelverabreichung und darüber hinaus.