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Leicht, stark und zäh: Forscher entwickeln einzigartige Polymerfasern

Extrem belastbar und zugfest, und dabei zäh und federleicht – Materialien mit dieser außergewöhnlichen Kombination von Eigenschaften werden in vielen Industriebranchen sowie in der Medizin dringend benötigt und sind ebenso für die wissenschaftliche Forschung von großem Interesse.

Ein Rezept für die unkomplizierte Herstellung von Polymerfasern mit eben diesen Eigenschaften hat jetzt ein Forschungsteam der Universität Bayreuth gemeinsam mit dem Forschungszentrum Jülich, der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und weiteren Partnern in Deutschland, China und der Schweiz entwickelt. In der Fachzeitschrift „Science“ stellen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen ihre Entdeckung vor.

„Die von uns präparierten Fasern können mit High-Tech-Verfahren, die in der Industrie bereits etabliert sind, leicht hergestellt werden – und zwar auf der Basis von Polymeren, die weltweit gut verfügbar sind. Eine einzelne Faser ist so dünn wie ein menschliches Haar, wiegt weniger als eine Fruchtfliege und ist dennoch sehr stark: Sie kann ein Gewicht von 30 Gramm heben, ohne zu reißen. Dies entspricht etwa dem 150.000-fachen Gewicht einer Fruchtfliege. Bei Experimenten mit der hohen Zugfestigkeit dieser Fasern wird ihre außerordentliche Zähigkeit sichtbar. Dies bedeutet, dass jede einzelne Faser viel Energie aufnehmen kann“, erklärt Prof. Dr. Andreas Greiner, Inhaber des Lehrstuhls für Makromolekulare Chemie II an der Universität Bayreuth, der die Forschungsarbeiten geleitet hat.

Ebenfalls beteiligt waren Forscher am Forschungszentrum Jülich, an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, am Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, an der RWTH Aachen, der Jiangxi Normal University, Nanchang, und der ETH Zürich.

Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften eignen sich die Polymerfasern hervorragend für technische Bauteile, die hohen Belastungen ausgesetzt sind. Sie ermöglichen innovative Anwendungen auf den verschiedensten Gebieten, beispielsweise in der Textilindustrie oder der Medizintechnik, im Automobilbau oder in der Luft- und Raumfahrtindustrie.

„Wir sind sicher, dass wir mit unseren Forschungsergebnissen das Tor zu einer neuen zukunftsweisenden Materialklasse weit aufgestoßen haben. Praktische Anwendungen seitens der Industrie sind schon in naher Zukunft zu erwarten. In den Polymerwissenschaften werden unsere Fasern wertvolle Dienste bei der weiteren Erforschung und Entwicklung hochleistungsfähiger Funktionsmaterialien leisten können“, sagt Greiner.

Die chemische Basis dieser vielversprechenden Fasern ist Polyacrylnitril. Eine einzige Faser, die einen Durchmesser von rund 40.000 Nanometern hat, besteht wiederum aus bis zu 4.000 ultradünnen Fibrillen. Diese Fibrillen werden durch geringe Mengen eines Zusatzstoffes verknüpft. „Die einzigartige Festigkeit in Kombination mit hoher Zähigkeit hat uns dabei immer wieder fasziniert“, sagt die Bayreuther Polymerwissenschaftlerin Prof. Dr. Seema Agarwal.

Dreidimensionale Röntgenbilder der MLU zeigen, dass die Fibrillen innerhalb der Faser fast ausnahmslos in der gleichen Längsrichtung angeordnet sind. Auch die an der MLU durchgeführten Berechnungen auf Grundlage der Mikroskopiedaten ergaben eine überwiegend geradlinige Anordnung.

„Nur mithilfe von hochauflösender 3D Röntgenbildgebung konnten wir die Anordnung aller Fibrillen in einer einzigen Faser im Detail sehen“, sagt Dr. Juliana Martins de Souza e Silva, Gruppenleiterin für das Röntgenelektronenmikroskop der MLU und Habilitandin bei Prof. Dr. Ralf Wehrspohn, Leiter des Lehrstuhls Mikrostrukturbasiertes Materialdesign am Institut für Physik und Vorstand für Technologiemarketing und Geschäftsmodelle der Fraunhofer-Gesellschaft. „Wir haben hier ein ziemlich besonderes Gerät“, sagt Martins.

„Bei normaler Röntgenmikroskopie sind kohlenstoffbasierte Materialien wie die Polyacrylnitrilfasern nicht sichtbar. Dafür braucht man eine spezielle Technik.“ Das Zeiss Xradia 810 Ultra verfügt über diese Technik, die sogenannte Röntgen-Phasenkontrast-Bildgebung. In Deutschland stehen nur sehr wenige dieser Mikroskope der Forschung zur Verfügung.

Über die Studie: Liao et al. High strength in combination with high toughness in robust and sustainable polymeric materials. Science (2019), doi: 10.1126/science.aay9033

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