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Das Geheimnis natürlicher Polymere: Welche Materialien sind Ihrer Meinung nach Geschenke der Natur?
Polymere sind große Moleküle, die aus vielen sich wiederholenden Einheiten bestehen, die von einem oder mehreren Monomeren abgeleitet sind. In der Natur vorkommende und synthetische Polymere spielen eine wesentliche Rolle in unserem täglichen Leben. Von bekannten synthetischen Kunststoffen wie Polystyrol bis hin zu natürlichen Biopolymeren wie DNA und Proteinen, die alle eine wichtige Rolle in der biologischen Struktur und Funktion spielen.
Polymere verfügen über Eigenschaften wie hohe Zähigkeit, hohe Elastizität und die Tendenz, leichter amorphe oder halbkristalline Strukturen zu bilden, was sie für biologische und industrielle Anwendungen beliebt macht.
Der Begriff Polymer stammt aus dem Griechischen und bedeutet „viele“ und „Teil“. Der Begriff wurde erstmals 1833 von Jöns Jacob Berzelius vorgeschlagen. 1920 schlug Hermann Staudinger jedoch das Konzept moderner Polymere vor und betonte deren große Molekülstrukturen als kovalent gebundene Moleküle.
Arten natürlicher Polymere
Natürliche Polymere können in verschiedene Typen unterteilt werden, die häufigsten sind wie folgt:
Natürliche Polymere
Natürliche Polymere wie Hanf, Bernstein und Naturkautschuk werden seit Jahrhunderten verwendet. Darüber hinaus ist Zellulose, der Hauptbestandteil von Holz und Papier, ein weiteres wichtiges natürliches Polymer.
Synthetische Polymere
Synthetische Polymere umfassen Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, synthetischen Kautschuk usw. Die jährliche Produktion dieser Materialien übersteigt 330 Millionen Tonnen. Gängige Polymere wie Polyethylen haben die wiederkehrende Einheit oder das Monomer Ethylen.
Die weltweite Nachfrage nach natürlichen und synthetischen Polymeren steigt immer noch, wodurch sich ihr Anwendungsspektrum immer weiter erweitert.
Synthese und Biosynthese von Polymeren
Polymerisation ist der Prozess der Kombination mehrerer kleiner Moleküle (Monomere) zu einer kovalenten Kette oder einem kovalenten Netzwerk. Während dieses Prozesses können bestimmte chemische Gruppen von jedem Monomer verloren gehen. Verschiedene Synthesemethoden können in Stufenpolymerisation und Kettenpolymerisation unterteilt werden, wobei die Stufenpolymerisation weiter in Polykondensation und Polyaddition unterteilt werden kann.
Biosynthese
Biologische Polymere in der Natur, wie Polysaccharide, Peptidketten und Nukleinsäuren, werden durch enzymatische Reaktionen in Zellen synthetisiert. Beispielsweise ist die Bildung von DNA ein durch DNA-Polymerase katalysierter Prozess.
Die Synthese von Biopolymeren spielt in der heutigen wissenschaftlichen Forschung eine wichtige Rolle, weshalb ihre Anwendungen in verschiedenen Bereichen vielfältiger geworden sind.
Modifikation natürlicher Polymere
Viele wichtige kommerzielle Polymere werden durch chemische Modifikation natürlicher Polymere synthetisiert. Beispielsweise entsteht Nitrozellulose durch die Reaktion von Salpetersäure und Zellulose, und vulkanisierter Kautschuk entsteht durch die Hochtemperaturreaktion von Schwefel und Naturkautschuk. Diese Modifikationen verbessern nicht nur die Leistung, sondern erweitern auch den Anwendungsbereich.
Bei synthetischen Polymeren sind ihre Mikrostruktur, ihr Molekulargewicht und ihr Polymerisationsgrad Schlüsselfaktoren, die ihre physikalischen Eigenschaften bestimmen.
Struktur und Anordnung von Polymeren
Die Struktur von Polymeren kann auf verschiedenen Längenskalen beschrieben werden, vom Subnanometer bis zur makroskopischen Ebene. Die Struktur jeder Stufe bildet die Grundlage für die nächste Stufe. Die unterschiedlichen Strukturformen von Polymeren beeinflussen ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften, insbesondere im Hinblick auf Kristallisationsprozesse und Phasentrennung.
Letzte Gedanken
Polymere zeigen ihre Bedeutung sowohl in der natürlichen Umwelt als auch in der heutigen Gesellschaft. Sollten wir angesichts der zunehmenden Komplexität der Materialwissenschaften daher den Materialien aus der Natur und ihren potenziellen Verwendungsmöglichkeiten mehr Aufmerksamkeit schenken?
