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Veröffentlicht: 27.03.2012, 06:00 Uhr

Polymerchemie Auf in neue Dimensionen

Bislang gab es Kunststoffe nur in Form kürzerer oder längerer Ketten. Dank Schweizer Chemiker erobern sie nun die zweite Dimension.

von Lucas Müller
© dpa Kunststoffe sind überall.

Seit der Chemiker Hermann Staudinger um 1920 zum ersten Mal synthetischen Kunststoff herstellte, haben Polymere in allen Formen und Farben unseren Alltag erobert und viele Anwendungen gefunden. Ob es sich um eine dünne Plastiktüte oder ein Computergehäuse handelt, der molekulare Aufbau der bekannten Kunststoffe ist immer der gleiche. Diese bestehen aus langen Molekülketten, die ineinander verschlungen sind und so eine Art Gewebe bilden. Forscher von der ETH Zürich haben jetzt ein Polymer synthetisiert, das nicht aus Fäden, sondern aus einzelnen dünnen Molekülschichten besteht. Auf der Ebene seiner molekularen Bestandteile gleicht das neue Polymer einem Blatt Papier, wohingegen klassische Kunststoffe dünnen Fäden entsprechen würden. Das Material eröffnet völlig neuartige Anwendungen.

Vom Faden zum Papier

Klassische Kunststoffe sind Ketten von Tausenden oder Millionen kleiner organischer Moleküle, sogenannten Monomeren. Seit mehr als siebzig Jahren versuchen Chemiker dieses Prinzip in die zweite Dimension zu erweitern, also Monomere herzustellen, die zuverlässig und regelmäßig mit drei anderen Monomeren chemische Reaktionen eingehen können und deshalb Schichten statt Ketten bilden. Den Wissenschaftlern um Junji Sakamoto ist diese Synthese jetzt gelungen. Zuerst entwickelten sie ein Monomer aus aromatischen Kohlenwasserstoffen, das drei reaktive Seiten hat. Dann ließen sie die Monomere kristallisieren, damit sich diese bereits in Schichten anordneten. Anschließend bestrahlten sie die Kristalle mit blauem Licht und leiteten so eine Reaktion ein, in deren Folge die Monomere sich miteinander verbanden.

Zweidimensionales Polymer © Forschungsgruppe Dieter Schlüter / ETH Zürich Vergrößern Schematische Darstellung eines linearen kettenförmigen Polymers (blaue Kästchen) und eines zweidimensionalen Polymers, bei dem sich die Monomere flächig anordnen. (orange Dreiecke).

Das Ergebnis war ein Polymerkristall, der aus Schichten des neuen Kunststoffs bestand. Anschließend trennten die Chemiker die einzelnen Schichten mit einem Lösungsmittel und erzeugten damit künstliche zweidimensionale Polymere, wie sie in der Zeitschrift „Nature Chemistry“ (doi: 10.1038/nchem.1265) berichten. Ein solches Kunststoffblatt hat einen Durchmesser von etwa zehn Mikrometern und besteht aus einer ungefähr 2,5 Nanometer dicken einlagigen Molekülschicht.

Anwendungen warten schon

Sakamoto und seine Kollegen erwarten, dass der neue Kunststoff aufgrund seines molekularen Aufbaus völlig andere Eigenschaften als seine eindimensionalen Pendants besitzt. Die Monomerbausteine des neuen Materials sind in einer Ebene äußerst regelmäßig angeordnet und können durch chemische Reaktionen gezielt verändert werden. Das Polymer ließe sich zum Beispiel als Trägermaterial für Katalysatoren verwenden, wenn man jeden seiner Bausteine mit einem Katalysatormolekül verbinden würde. Dadurch erhielte man einen Reaktionsbeschleuniger, dessen Wirkung genau mit der Größe eines Polymerblattes korreliert. Überdies könnte man diese Bausteine so modifizieren, dass feine Poren entstehen, durch die Moleküle einer bestimmten Größe gefiltert werden könnten. Das neue zweidimensionale Polymer hat das Potential, den Siegeszug der Kunststoffe mit neuen Verwendungsmöglichkeiten fortzusetzen.

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