Mehr Nachhaltigkeit bei Kunststoffen durch innovatives Material
Forschende der Arizona State University haben neue Methoden entwickelt, um die Lebensdauer von Kunststoffprodukten zu verlängern. Zugleich analysierten sie dabei das Materialverhalten unter extremen Bedingungen. Möglich wurde das durch den Einsatz von speziellen Molekülen, die unter großer Belastung leuchten.
Forschenden ist es gelungen, Veränderungen von Kunststoff sichtbar zu machen. Die Erkenntnisse könnten für mehr Nachhaltigkeit sorgen.
Foto: pantermedia.net/DJSrki
Nachhaltigkeit gewinnt immer mehr an Bedeutung. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler suchen deshalb verstärkt nach innovativen Lösungen. Ihr Ziel: einerseits den Kunststoffverbrauch zu reduzieren und andererseits die Lebensdauer von Produkten zu verlängern. Ein Team der Arizona State University (ASU) unter der Leitung von Yoan Simon, Professor für Polymerwissenschaften, verfolgt dabei einen vielversprechenden Ansatz. Dem Team geht es darum, sogenannte Mechanophoren in Kunststoffmaterialien zu integrieren. Dabei handelt es sich um Moleküle, die unter großer mechanischer Belastung aufleuchten. Auf diese Art und Weise ist es möglich, das Verhalten des Materials sichtbar zu machen. Das Team testete das unter anderem bei Belastungsstößen mit hoher Geschwindigkeit.
Chemisches Kunststoffrecycling: Auf das Rühren kommt es an
Insgesamt arbeiten die Forschenden des Zentrums für nachhaltige makromolekulare Materialien und Fertigung (SM3) des Biodesign-Instituts der ASU an verschiedenen Projekten. Sie konzentrieren sich unter anderem auf Biosourcing, Recycling, Wasserreinigung und Kohlenstoffabscheidung. Ihr Ansatz: eine Kreislaufwirtschaft zu etablieren und die enormen Abfallmengen zu reduzieren, die täglich durch Kunststoffprodukte entstehen.
Nachhaltigkeit durch verlängerte Lebensdauer von Kunststoffteilen
Yoan Simon ist sich der Herausforderung bewusst, wenn sich sein Team die Verringerung des weltweiten Kunststoffbedarfs als Ziel setzt. Ein vielversprechender Ansatz besteht jedoch darin, die Lebensdauer von Kunststoffteilen zu verlängern. Von Rucksackverschlüssen bis hin zu Fahrrad- und Fußballhelmen müssen viele Produkte in unserem Alltag zahlreichen Belastungen standhalten. Doch wie genau versagen diese Materialien unter Einwirkung von zum Beispiel Hochgeschwindigkeitsprojektilen?
Um diese Frage zu beantworten, hat das Forscherteam um Yoan Simon in Zusammenarbeit mit dem National Institute of Standards and Technology (NIST), der University of Southern Mississippi, dem Rensselaer Polytechnic Institute und dem Army Corps of Engineers ein neuartiges Kunststoffmaterial entwickelt. Die Idee besteht darin, sogenannte Mechanophoren in den Kunststoff einzuarbeiten. Sie geben dem Material eine neue Eigenschaft. Denn die Reaktion des Materials lässt sich visuell erfassen. Dadurch gewinnen die Forschenden bisher unzugängliche Informationen über die Verformungen unter der Oberfläche.
Kunststoffe leuchten wie Weihnachtsbäume
Mithilfe fortschrittlicher bildgebender Verfahren ist es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gelungen, die Bildung sogenannter Mach-Kegel-Akustikwellen sichtbar zu machen. Diese akustischen Wellen breiten sich im Material schneller als mit Schallgeschwindigkeit aus, ähnlich dem Überschallknall eines Düsenjägers. Die in das Kunststoffmaterial integrierten Moleküle leuchten dann praktisch wie ein Weihnachtsbaum auf, sobald die Geschwindigkeit des Projektils die Schallgeschwindigkeit im Material übersteigt.
Yoan Simon, dessen Gruppe seit Jahrzehnten an der Einführung von lumineszierenden oder farbwechselnden Sonden in Materialien arbeitet, ist begeistert von den Ergebnissen dieser Studie. Bisher war die Anwendbarkeit molekularer Sonden auf Materialien beschränkt, deren Verformung mit bloßem Auge sichtbar war. „Das wirklich Neue an dieser Studie ist, dass sie uns ein einzigartiges Werkzeug bietet, um zu sehen, was tief im Material passiert. Wir können sehen, wie sich die Wellen beim Aufprall im Material ausbreiten“, sagt Simon.
Kunststoffmaterialien für eine nachhaltige Zukunft
Die Studie, die kürzlich in Nature Communications veröffentlicht wurde, kombiniert umfangreiche Berechnungen mit fortschrittlichen Analysemethoden des NIST. Vereinfacht ausgedrückt, haben die Forschenden eine mikroskopische Kanone verwendet, um Mikroprojektile auf die Kunststoffmaterialien zu schießen. Mithilfe von ultraschnellen Kameras und fortschrittlicher Mikroskopie konnten sie wertvolle Informationen über die absorbierte Energie und deren Übertragung durch das Material gewinnen.
Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit könnten nicht nur dazu beitragen, die Lebensdauer von Kunststoffprodukten zu verlängern und somit die Nachhaltigkeit zu fördern. Die Sonden eröffnen auch neue Möglichkeiten, tiefere Einblicke in verschiedene impulsive Ereignisse zu gewinnen, darunter leichte traumatische Hirnverletzungen, additive Kaltgasspritzfertigung oder Hochgeschwindigkeitseinschläge im Weltraum.
Ein Beitrag von:
