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Von Mikro bis Nano: Wie revolutionieren Nanopolymere unsere Materialwissenschaften?
Nanopolymer-Komposite (PNCs) bestehen aus Polymeren oder Copolymeren und Nanopartikeln oder Füllstoffen, die in einer Polymermatrix dispergiert sind. Diese Nanopartikel können verschiedene Formen haben (z. B. Flocken, Fasern, Kugeln), aber mindestens eine Dimension muss im Bereich von 1 bis 50 Nanometer liegen. Diese PNCs gehören zu Mehrphasensystemen (MPS, wie etwa Mischungen, Verbundwerkstoffe und Schäume) und machen 95 % der weltweiten Kunststoffproduktion aus. Diese Systeme erfordern kontrolliertes Mischen/Verstärken, Stabilisierung der resultierenden Dispersion und Ausrichtung der dispergierten Phase, und die Verstärkungsstrategien für alle MPS, einschließlich PNCs, sind ähnlich.
Unter Polymer-Nanowissenschaft versteht man die Anwendung der Nanowissenschaft zur Untersuchung und Anwendung von Polymer-Nanopartikelmatrizen, bei denen mindestens eine Dimension des Nanopartikels weniger als 100 Nanometer beträgt. Der Prozess der Umwandlung von Mikropartikeln in Nanopartikel führt zu Änderungen ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften. Zu den Hauptfaktoren für diese Veränderung zählen die Vergrößerung des Oberfläche-Volumen-Verhältnisses und die Veränderung der Partikelgröße. Mit abnehmender Partikelgröße vergrößert sich das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, wodurch das Verhalten der Atome auf der Partikeloberfläche bei der Reaktion dominanter wird.
„Die größere Oberfläche von Nanopolymeren ermöglicht stärkere Wechselwirkungen mit anderen Partikeln, was wiederum Eigenschaften wie Festigkeit und Hitzebeständigkeit verbessert.“
So unterscheiden sich beispielsweise Silizium-Nanokugeln stark von herkömmlichem Silizium: Ihr Durchmesser beträgt nur 40 bis 100 Nanometer, und ihre Härte liegt zwischen der von Saphir und Diamant. Nanopolymer-Verbundstoffe können auch durch kontinuierliche Infiltrationssynthese (SIS) hergestellt werden, bei der anorganische Nanomaterialien durch Diffusion von Dampfphasenvorläufern in einer Polymermatrix wachsen.
Bio-Hybrid-Polymer-Nanofasern
Viele technologische Anwendungen biologischer Substanzen (z. B. Proteine, Viren oder Bakterien), wie etwa Chromatographie, optoelektronische Informationstechnologie, Sensoren, Katalyse und Arzneimittelabgabe, erfordern deren Immobilisierung. Häufig werden hierfür Kohlenstoffnanoröhren, Goldpartikel und synthetische Polymere verwendet. Die Immobilisierung biologischer Substanzen erfolgt überwiegend durch Adsorption oder chemische Bindung, seltener auch durch den Einsatz dieser Substanzen als Gäste in der Wirtsmatrix.
„Polymere bieten aufgrund der Verfügbarkeit einer großen Vielfalt natürlicher oder synthetischer Makromoleküle und fortschrittlicher Verarbeitungstechnologien eine gute Plattform für die Immobilisierung von Biomasse.“
Herstellung von biohybriden Nanoröhren
Die Herstellung von Polymerfasern im technischen Maßstab erfolgt üblicherweise mittels Extrusionstechnologie. Dabei wird eine Polymerschmelze oder eine Polymerlösung durch eine zylindrische Düse gepumpt und anschließend durch eine Aufwickelvorrichtung gesponnen oder gezogen. Heute ist das Elektrospinnen noch immer die beste Polymerverarbeitungstechnologie, um den Durchmesser auf Hunderte von Nanometern oder sogar einige wenige Nanometer zu verringern. Durch Anlegen eines starken elektrischen Felds wird ein Flüssigkeitsstrahl aus der Oberseite des Tröpfchens ausgestoßen, bis eine feste Nanofaser entsteht.
Anwendungen von Nanoröhren
Nanoröhren können auch zur Arzneimittelverabreichung verwendet werden, insbesondere in der Krebsbehandlung. Ihre Aufgabe besteht darin, das Arzneimittel vor der Zerstörung im Blut zu schützen, die Dynamik der Arzneimittelfreisetzung zu kontrollieren und den Transport zu bestimmten Zielen zu ermöglichen. Darüber hinaus können Nanoröhren mit reaktionsfähigen Polymeren durch chemische Modifikation auch das Öffnen und Öffnen der Röhrenmündung steuern.
„Die Kern-Hülle-Fasern aus Nanoröhren können biologisches Material einfangen, ohne dass ihre Funktionalität beeinträchtigt wird, was sie potenziell für Biosensoren nützlich macht.“
Technische Anwendungen von Nanopolymeren
Unter den technischen Anwendungen spielen Nanopolymer-Verbundstoffe eine wichtige Rolle in der Autoreifenindustrie, da ihre überlegenen Eigenschaften zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz beitragen. Darüber hinaus werden Nanopolymer-Verbundstoffe aufgrund ihrer hervorragenden Hitzebeständigkeit auch in Hochtemperaturumgebungen eingesetzt.
Obwohl die Entwicklungen im Bereich der Nanopolymere schnell voranschreiten, gibt es immer noch Einschränkungen. So lässt sich die Wirkstofffreisetzung aus Nanofasern bislang nicht präzise kontrollieren und erfolgt typischerweise stoßweise. Und mit der Entwicklung zukünftiger Technologien freuen wir uns natürlich auf weitere Möglichkeiten.
Wie können die Eigenschaften von Nanopolymeren besser genutzt werden, um zukünftige Herausforderungen der Materialwissenschaften zu lösen?
