Sandia National Labs entwickeln langlebigere Materialien

Wissenschaftler*innen am Sandia National Laboratory haben ein Molekül entwickelt, das die Haltbarkeit von Materialien erhöhen kann. Es bewirkt, dass sich Kunststoffe bei Temperaturänderungen weniger stark ausdehnen und zusammenziehen. Somit wird der Verschleiß durch thermische Spannungen reduziert.

Einer der größten Faktoren für die Verschlechterung von Materialien ist der wiederholte Wechsel von heißen zu kalten Temperaturen und zurück. Die meisten Materialien dehnen sich aus, wenn sie erhitzt werden, und ziehen sich zusammen, wenn sie abgekühlt werden, aber jedes Material hat seine eigene Veränderungsrate. Polymere beispielsweise dehnen sich am stärksten aus und ziehen sich zusammen, während sich Metalle und Keramiken am wenigsten zusammenziehen.

Erica Redline, eine Materialwissenschaftlerin, die das Team leitet, sagte, dass die meisten Gegenstände aus mehr als einer Art von Material bestehen.

“Nehmen Sie zum Beispiel Ihr Handy, das ein Kunststoffgehäuse hat, das mit einem Glasbildschirm verbunden ist, und darin die Metalle und Keramiken, aus denen die Schaltkreise bestehen”, sagte Redline. “Diese Materialien sind alle verschraubt, geklebt oder irgendwie miteinander verbunden und dehnen sich unterschiedlich schnell aus und ziehen sich zusammen, wodurch sie im Laufe der Zeit Risse bekommen oder sich verziehen können.”

Redline sagte, dass sie von vielen Kund*innen von Sandia immer wieder die gleichen Beschwerden hört.

“Sie sprechen immer wieder über Probleme mit der thermischen Ausdehnung und darüber, dass ihre bestehenden Systeme wegen der vielen Füllstoffe, die sie zum Ausgleich hinzufügen müssen, schwer zu handhaben sind”, so Redline.

“Ich dachte, wenn ich ein perfektes Material erfinden würde, wie würde das aussehen”, sagte Redline.

Redline glaubt, dass sie es geschafft hat, mit der Hilfe ihres Teams Chad Staiger, Jason Dugger, Eric Nagel, Koushik Ghosh, Jeff Foster, Kenneth Lyons, Alana Yoon und den Mitarbeitern der akademischen Allianz, Professor Zachariah Page und der Doktorandin Meghan Kiker.

Das Team hat ein Molekül so verändert, dass es leicht in ein Polymer eingebaut werden kann, um dessen Eigenschaften zu verändern.

“Dieses Molekül ist wirklich einzigartig: Wenn man es erhitzt, dehnt es sich nicht aus, sondern zieht sich zusammen, indem es seine Form verändert”, so Redline.
“Wenn man es einem Polymer hinzufügt, bewirkt es, dass sich das Polymer weniger zusammenzieht und ähnliche Ausdehnungs- und Kontraktionswerte wie Metalle erreicht. Ein Molekül zu haben, das sich wie ein Metall verhält, ist ziemlich bemerkenswert.”

Dieses Molekül könnte auf unendlich viele Arten verwendet werden. Polymere werden als Schutzbeschichtungen in der Elektronik, in Kommunikationssystemen, Solarzellen, Automobilkomponenten, Leiterplatten, Luft- und Raumfahrtanwendungen, Verteidigungssystemen, Bodenbelägen und vielem mehr eingesetzt.

“Das Molekül löst nicht nur aktuelle Probleme, sondern eröffnet auch einen erheblichen Gestaltungsspielraum für weitere Innovationen in der Zukunft”, sagte Jason Dugger, ein Chemieingenieur von Sandia, der sich mit potenziellen Anwendungen, insbesondere in Verteidigungssystemen, befasst hat.

Ein weiterer Schlüssel zu dieser Erfindung liegt darin, dass sie beim 3D-Druck in verschiedene Teile eines Polymers mit unterschiedlichen Anteilen eingearbeitet werden kann.

“Man könnte eine Struktur mit einem bestimmten thermischen Verhalten in einem Bereich und einem anderen thermischen Verhalten in einem anderen Bereich drucken, um die Materialien in verschiedenen Teilen des Gegenstands aufeinander abzustimmen”, so Dugger.

Ein weiterer Vorteil ist die Gewichtsreduzierung von Materialien durch den Verzicht auf schwere Füllstoffe.

“Damit können wir die Dinge viel leichter machen, um Masse zu sparen”, sagte Dugger. “Das ist besonders wichtig, wenn wir zum Beispiel einen Satelliten starten. Jedes Gramm, das wir einsparen können, ist enorm.”

Redline sagte, dass sie auch von einem Epoxidformulierer angesprochen wurde, der glaubt, dass dieses Molekül in Klebstoffe eingearbeitet werden könnte.

Das Team hat dieses Molekül bisher nur in kleinen Mengen hergestellt, arbeitet aber daran, einen Weg zu finden, die Produktion zu erhöhen, damit andere Sandia-Forscher*innen das Molekül für ihre Aufgaben testen können.

Chad Staiger, ein organischer Chemiker bei Sandia, stellt das Molekül her. Er sagte, dass er etwa 10 Tage für die Herstellung von 7-10 Gramm benötigt.

“Leider ist die Synthese dieses Moleküls sehr langwierig”, sagte Staiger. “Mehr Schritte bedeuten mehr Zeit und mehr Geld. Bei höherwertigen Materialien wie Pharmazeutika werden in der Regel fünf- bis sechsstufige Synthesen durchgeführt. Bei Polymeren gilt: je billiger, desto besser für eine breite Anwendung.”

Das Team arbeitet daran, die Anzahl der Schritte zu verringern, indem es 100.000 Dollar aus dem Sandia-Programm zur Technologiereifung nutzt, das dabei hilft, Produkte zur Marktreife zu bringen.

“Meine Aufgabe ist es, herauszufinden, ob es einen einfacheren Weg gibt, um es auf kommerzieller Ebene herzustellen”, so Postdoc Eric Nagel. “Es gibt nichts Vergleichbares da draußen. Ich bin wirklich begeistert von den Möglichkeiten, die diese Technologie bietet, und von den Anwendungen, die damit verbunden sein könnten.”