Experten kombinieren Substanzen, um seltsame, harte und elastische Materie herzustellen

Bruchsichere Smartphone-Bildschirme könnten eine Anwendung eines neuartigen Hybridmaterials sein, das mehrere widersprüchliche Eigenschaften in einer einzigen Substanz vereint. Das Material besitzt gleichzeitig die Härte und Festigkeit einer Keramik, die Verformungselastizität von Gummi und die Umformbarkeit eines Kunststoffs. „Diese Kombination von Eigenschaften in einem einzigen Material ist so einzigartig, dass seine möglichen Einsatzmöglichkeiten hauptsächlich durch unsere Vorstellungskraft begrenzt sind“, sagt LIU Zhaoming, Professorin am Fachbereich Chemie der Zhejiang-Universität in Hangzhou, China. Liu war Co-Leiter der Forschung. Traditionell ergeben weiche und dehnbare organische Polymere Materialien mit elastischen und plastischen Eigenschaften, während anorganische Materialien eher harte Keramiken bilden. Frühere Versuche, organische und anorganische Verbindungen in Hybridmaterialien zu kombinieren, waren durch ihre gegensätzliche chemische Natur eingeschränkt, erklärt Liu. Anorganische Verbindungen werden typischerweise durch ionische Bindungen zusammengehalten und liegen selten in reiner molekularer Form vor. Stattdessen neigen sie dazu, feste Kristalle zu bilden oder zu einer Lösung freier Ionen in Wasser zu dissoziieren. Denken Sie an Natriumchlorid oder Speisesalz. Im Gegensatz dazu werden organische Verbindungen typischerweise durch kovalente Bindungen zusammengehalten und liegen leicht in molekularer Form vor. Dieser Unterschied macht es schwierig, organische und anorganische Verbindungen auf molekularer Ebene zu kombinieren. Im Jahr 20191 fanden Liu und seine Kollegen von der Zhejiang-Universität, darunter Professor TANG Ruikang, einen möglichen Weg, dieses Problem zu umgehen. „Wir haben herausgefunden, dass wir kleine organische Moleküle als ‚Abdeckmittel‘ verwenden können, um Calciumcarbonat, eine anorganische ionische Verbindung, in molekularer Form zu stabilisieren“, sagt er. In ihrer neuesten Arbeit nutzte das Team diesen Ansatz, um einen neuen organisch-anorganischen Hybrid herzustellen Molekül2, wobei eine Säure-Base-Reaktion verwendet wird, um die Calciumcarbonat-Oligomere mit einem organischen Molekül, Thioktinsäure, zu verbinden. Als diese Moleküle unter Druck bei 120 °C verarbeitet wurden, reagierten die organischen und anorganischen Teile des Moleküls mit benachbarten Molekülen und vernetzten sich zu einem Feststoff mit hochintegrierten organischen und anorganischen Bereichen. Die bemerkenswerten Eigenschaften des Hybridmaterials waren nicht sofort offensichtlich, Liu sagt. „Als wir dieses Material zum ersten Mal herstellten, dachten wir, es sei wie Hartplastik“, sagt er. Die Überraschungen begannen, als sie mit einer Technik namens Nanoindentation eine scharfe Spitze in das Material drückten und die mechanischen Eigenschaften fester Materialien im Nanomaßstab untersuchten. „Das Hybridmaterial war sehr hart, genau wie Keramik“, sagt Liu. „Aber als wir eine Vertiefung machten und dann die Spitze zurückzogen, schob sich das Material zurück und nahm wieder seine Form wie Gummi an.“ Härte und Elastizität waren nicht die einzigen paradoxen Eigenschaften des Hybridmaterials. Das Team stellte fest, dass es unter hoher Temperatur und hohem Druck wiederverformt werden kann, was bedeutet, dass es für eine neue Verwendung recycelt werden kann. „Wir haben das Material ‚elastisch-keramischer Kunststoff‘ genannt, weil es alle drei Eigenschaften vereint“, sagt Liu. Wenn es um reale Anwendungen dieses Materials geht, ist laut Liu eine Möglichkeit ein Smartphone-Bildschirm, der hart und stark, aber nicht spröde ist. „Mit seiner Kombination aus Härte und Bruchfestigkeit könnte es auch für Knochenimplantate oder andere medizinische Materialien verwendet werden“, schlägt er vor. Der elastische Keramik-Kunststoff könnte nur der erste einer ganz neuen Materialfamilie sein, fügt Liu hinzu. „Die grundlegende Innovation dieser Arbeit besteht darin, dass wir organische und anorganische Chemie auf molekularer Ebene vereint haben“, sagt er. „Mit dieser Methode könnten wir viele Hybridmoleküle herstellen und möglicherweise andere paradoxe Eigenschaften kombinieren.“