Forscher ordnen Moleküle neu – plötzlich ist biologisch abbaubarer Kunststoff fest und flexibel
Das neue Material ist fest, zäh und flexibel und könnte sich deshalb langfristig für Verpackungen eignen.
Nicht die Zutaten, sondern ihre Anordnung macht den Unterschied: Forscher schließen Kunststoffmoleküle zu Ringen und verändern so Festigkeit, Zähigkeit und Flexibilität des Materials. (Symbolbild) © Pexels
Plastik kann erstaunlich viel – aber selten alles gleichzeitig. Wird ein Kunststoff besonders fest, wird er oft spröde. Soll er flexibel bleiben, verliert er an Stabilität. Und biologisch abbaubare Kunststoffe müssen meist noch weitere Kompromisse eingehen.
Forscher der Virginia Tech haben deshalb nicht einfach nach einem neuen Kunststoff gesucht. Sie haben die vorhandenen Molekülbausteine anders angeordnet: Die Polymerketten werden zu Ringen geschlossen, zugleich steuern die Wissenschaftler die Reihenfolge der Bausteine innerhalb dieser Ringe. Und diese molekulare Architektur verändert die Eigenschaften des Materials – und macht den biologisch abbaubaren Kunststoff zugleich fester, zäher und flexibel.
„Indem wir Form und Reihenfolge kontrollieren, können wir Materialien herstellen, die fest, zäh, flexibel und gute Sauerstoffbarrieren sind“, erklärt Studienleiter Rong Tong von der Virginia Tech. Die Ergebnisse veröffentlichte sein Team in Nature Communications.
Biologisch abbaubarer Kunststoff bekommt eine neue Molekülarchitektur
Gewöhnliche Polymere bestehen häufig aus langen Molekülketten mit zwei Enden. Tong und sein Team entwickelten dagegen zyklische Polyester: Die Molekülketten sind geschlossen und bilden Ringe.
Der zweite Schritt ist mindestens ebenso wichtig. Die Forscher bestimmten gezielt, in welcher Reihenfolge unterschiedliche Molekülbausteine innerhalb dieser Ringe angeordnet werden. Auf diese Weise entstanden sogenannte zyklische Gradient-Copolymere.
Für ihre Herstellung verwendete das Team Lanthan-Katalysatoren und Ausgangsstoffe, die von Aminosäuren abgeleitet sind. Die erzeugten Polyester erreichten Molekülmassen von mehr als 90 Kilodalton. Das Verfahren funktionierte im Labor bis zu einer Menge von ungefähr fünf Gramm. Damit lag erstmals ausreichend Material vor, um zu prüfen, was die neue Architektur mechanisch tatsächlich bewirkt.
Neue Struktur macht Kunststoff fester und zäher
Bei Zugversuchen erreichte eines der zyklischen Gradient-Copolymere eine Bruchfestigkeit von 14,3 Megapascal. Ein ringförmiger Block-Copolymer mit ähnlichen Bestandteilen kam auf 8,3 Megapascal, eine lineare Vergleichsvariante auf 6,0 Megapascal.
Auch bei der Zähigkeit schnitt das neu angeordnete Material besser ab. Es war 1,2-mal zäher als die zyklische Block-Variante und 2,1-mal zäher als deren lineares Gegenstück.
Interessant bei den Versuchsergebnissen: Bei vielen Kunststoffen geht eine höhere Festigkeit mit größerer Sprödigkeit einher. Das Material hält dann zwar hohen Kräften stand, kann aber leichter brechen, sobald es sich verformen muss.
Die neue Molekülarchitektur verschob diesen Zielkonflikt. Das untersuchte Material vereinte mehrere Eigenschaften, die sich bei Kunststoffen oft nur schwer gleichzeitig erreichen lassen:
- hohe Festigkeit und Zähigkeit,
- deutliche Dehnbarkeit und Formrückstellung,
- eine geringe Durchlässigkeit für Sauerstoff.
Bei einem der Materialien bestimmten die Forscher einen Formrückstellungswert von 0,919. Nach starker Verformung konnte es sich damit zu einem großen Teil wieder seiner ursprünglichen Form annähern.
„Normalerweise muss man Opfer bringen, wenn man die Festigkeit erhöht“, so Tong. Bei den neuen Polymeren verbesserten sich dagegen Festigkeit und Zähigkeit gleichzeitig.
Verpackungen könnten von biologisch abbaubarem Kunststoff profitieren
Für mögliche Anwendungen ist noch eine andere Eigenschaft entscheidend: Wie leicht kann Sauerstoff durch das Material gelangen? Bei Lebensmittelverpackungen spielt das eine wichtige Rolle. Sauerstoff kann Fette oxidieren, Aromen verändern und so Lebensmittel schneller verderben lassen. Verpackungsmaterialien sollen ihn deshalb möglichst zuverlässig fernhalten.
Die Sauerstoffbarriere der neu entwickelten Polymere lag auf einem Niveau, das mit PLA, also Polymilchsäure, vergleichbar war. PLA wird bereits als biologisch abbaubarer Kunststoff eingesetzt und besitzt eine gute Sauerstoffbarriere, kann jedoch vergleichsweise spröde sein.
Die neuen Polyester verbinden diese Barrierewirkung mit höherer Zähigkeit und Dehnbarkeit. Damit könnten sie langfristig für Anwendungen interessant werden, bei denen bislang mehrere Materialeigenschaften gegeneinander abgewogen werden müssen.
Noch ist der neue Kunststoff ein Material aus dem Labor
Bis daraus tatsächlich Verpackungsfolien oder andere Produkte entstehen, ist allerdings noch weitere Forschung nötig. Die Wissenschaftler untersuchten lediglich Materialproben aus dem Labor. Tests unter realen Produktions-, Lager- oder Transportbedingungen waren nicht Teil der Arbeit.
Auch das Recycling ist bislang vor allem ein nächster Forschungsschritt. Die verwendeten Polyester sind grundsätzlich abbaubar. Künftig wollen die Forscher untersuchen, ob sich ihre Ausgangsbausteine zurückgewinnen und erneut für die Herstellung von Kunststoffen verwenden lassen.
Kurz zusammengefasst:
- Forscher der Virginia Tech ordnen Kunststoffmoleküle zu Ringen an und steuern zusätzlich die Reihenfolge ihrer Bausteine.
- Dadurch wird der biologisch abbaubare Kunststoff zugleich fester, zäher und flexibel und hält Sauerstoff ähnlich gut ab wie PLA.
- Noch handelt es sich um Labormaterial: Verpackungen im Alltag und eine praktische Wiederverwertung müssen erst noch getestet werden.
Übrigens: Nicht nur Kunststoffe, auch Textilien können durch eine gezielt veränderte Materialstruktur neue Aufgaben übernehmen: Spezielle Garne verkürzen sich bei Wärme und könnten so Bewegungen ohne Motor erzeugen. Mehr dazu in unserem Artikel.
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