Kunststoff-Moleküle bilden bisher unbekannte Mikrokugeln

Entdeckung der Frank-Kasper-Phase für Polymere könnte zu völlig neuen Kunststoffen und Nanomaterialien führen.

Kaum eine Materialklasse bietet so viele Varianten wie Kunststoffe. Selbst unterschiedliche Polymere können sich zu vielseitig anwendbaren Kopolymeren zusammen lagern. Diese Vielfalt erweiterten nun amerikanische Materialforscher mit der Entdeckung einer neuen Phase, die bisher nur in Metalllegierungen zu beobachten war. Diese Frank-Kasper-Phasen ebnen möglicherweise den Weg zu neuartigen Nanoreaktoren, photonischen Kristallen und Nanofähren für Arzneien.

Das Team um Frank S. Bates von der University of Minnesota nutzte die Selbstordnungskräfte von Styrol, Ethylen und anderen Polymer-Molekülen in einer Kunststoffschmelze aus. Sie analysierten mit hochauflösender Elektronenmikroskopie und Röntgenstreuung die interne Struktur der entstandenen Polymer-Makromoleküle. Dabei entdeckten sie eine Materialklasse, in denen sich die Moleküle zu einem extrem dichten Verbund zusammenschlossen. Die Einheitszellen dieser Makromoleküle zeigten dabei keine Oktaederlücken, sondern nur noch die kleineren Tetraederlücken.

"Diese Strukturen maximieren ihre Packungsdickte von Atomen und füllen 74 Prozent des Raumes einer Elementarzelle aus", schreiben Mihai Peterca und Virgil Percec von der University of Pennsylvania in einem begleitenden Kommentar. Damit ordnen diese Quasikristalle ihre Atome deutlich dichter an als bei bisher bekannten Kunststoff-Strukturen, die eine Packungsdichte von maximal 68 Prozent aufweisen.

Für diese ersten Versuche verwendeten Bates und Kollegen linear aufgebaute Blockpolymere. Das Diblockpolymer Poly-Isopren-b-Lactid und das Tetrablockpolymer Polystyrol-b-Isopren-b-Styrol-b-Ethylenoxid vernetzten sich mit ihren Seitenketten zu der stabilen Frank-Kasper-Phase. Möglich wurde dies durch eine geschickte Wahl von Heiz- und Kühlzyklen der Polyemerschmelze. Bisher konnten jedoch nur kleine Mengen für die spektroskopischem Analysen synthetisiert werden. Bis aus dieser neuen Materialklasse jedoch Nano-Container oder Photonische Kristalle mit praktischen Anwendungen entstehen können, muss das Herstellungsverfahren noch an größere Plastikmengen angepasst werden.

Jan Oliver Löfken

 KK