Leicht, stark und zäh: For­scher der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ent­decken ein­zig­ar­ti­ge Polymerfasern

Elektrospinnen einer multifibrillaren Polyacrylnitrilfaser. © Universität Bayreuth / Jürgen Rennecke.

Elek­tro­spin­nen einer mul­ti­fi­bril­la­ren Poly­acryl­ni­tril­fa­ser. © Uni­ver­si­tät Bay­reuth / Jür­gen Rennecke.

Extrem belast­bar und zug­fest, und dabei zäh und feder­leicht – Mate­ria­li­en mit die­ser außer­ge­wöhn­li­chen Kom­bi­na­ti­on von Eigen­schaf­ten wer­den in vie­len Indu­strie­bran­chen sowie in der Medi­zin drin­gend benö­tigt und sind eben­so für die wis­sen­schaft­li­che For­schung von gro­ßem Inter­es­se. Poly­mer­fa­sern mit eben die­sen Eigen­schaf­ten hat jetzt ein For­schungs­team der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ent­wickelt. Gemein­sam mit Part­nern in Deutsch­land, Chi­na und der Schweiz wur­den die Poly­mer­fa­sern cha­rak­te­ri­siert. In der Zeit­schrift Sci­ence stel­len die Wis­sen­schaft­ler ihre Ergeb­nis­se vor.

„Die von uns ent­deck­ten Fasern kön­nen mit High-Tech-Ver­fah­ren, die in der Indu­strie bereits eta­bliert sind, leicht her­ge­stellt wer­den – und zwar auf der Basis von Poly­me­ren, die welt­weit gut ver­füg­bar sind. Eine ein­zel­ne Faser ist so dünn wie ein mensch­li­ches Haar, wiegt weni­ger als eine Frucht­flie­ge und ist den­noch sehr stark: Sie kann ein Gewicht von 30 Gramm heben, ohne zu rei­ßen. Dies ent­spricht etwa dem 150.000-fachen Gewicht einer Frucht­flie­ge. Bei Expe­ri­men­ten mit der hohen Zug­fe­stig­keit die­ser Fasern wird ihre außer­or­dent­li­che Zähig­keit sicht­bar. Dies bedeu­tet, dass jede ein­zel­ne Faser viel Ener­gie auf­neh­men kann“, erklärt Prof. Dr. Andre­as Grei­ner, Inha­ber des Lehr­stuhls für Makro­mo­le­ku­la­re Che­mie II an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth, der die For­schungs­ar­bei­ten gelei­tet hat. Eben­falls betei­ligt waren For­scher am For­schungs­zen­trum Jülich, an der Mar­tin-Luther-Uni­ver­si­tät Hal­le-Wit­ten­berg, am Fraun­ho­fer-Insti­tut für Mikro­struk­tur von Werk­stof­fen und Syste­men IMWS, an der RWTH Aachen, der Jian­gxi Nor­mal Uni­ver­si­ty, Nan­chang, und der ETH Zürich.

Auf­grund ihrer beson­de­ren Eigen­schaf­ten eig­nen sich die Poly­mer­fa­sern her­vor­ra­gend für tech­ni­sche Bau­tei­le, die hohen Bela­stun­gen aus­ge­setzt sind. Sie ermög­li­chen inno­va­ti­ve Anwen­dun­gen auf den ver­schie­den­sten Gebie­ten, bei­spiels­wei­se in der Tex­til­in­du­strie oder der Medi­zin­tech­nik, im Auto­mo­bil­bau oder in der Luft- und Raum­fahrt­in­du­strie. Zudem sind die Poly­mer­fa­sern gut recy­cel­bar. „Wir sind sicher, dass wir mit unse­ren For­schungs­er­geb­nis­sen das Tor zu einer neu­en zukunfts­wei­sen­den Mate­ri­al­klas­se weit auf­ge­sto­ßen haben. Prak­ti­sche Anwen­dun­gen sei­tens der Indu­strie sind schon in naher Zukunft zu erwar­ten. In den Poly­mer­wis­sen­schaf­ten wer­den unse­re Fasern wert­vol­le Dien­ste bei der wei­te­ren Erfor­schung und Ent­wick­lung hoch­lei­stungs­fä­hi­ger Funk­ti­ons­ma­te­ria­li­en lei­sten kön­nen“, sagt Greiner.

Die che­mi­sche Basis die­ser viel­ver­spre­chen­den Fasern ist Poly­acryl­ni­tril. Eine ein­zi­ge Faser, die einen Durch­mes­ser von rund 40.000 Nano­me­tern hat, besteht wie­der­um aus bis zu 4.000 ultra­dün­nen Fibril­len. Die­se Fibril­len wer­den durch gerin­ge Men­gen eines Zusatz­stof­fes ver­knüpft. Drei­di­men­sio­na­le Rönt­gen­bil­der zei­gen, dass die Fibril­len inner­halb der Faser fast aus­nahms­los in der glei­chen Längs­rich­tung ange­ord­net sind. „Wir haben die­se Poly­mer­fa­sern in einem Labor für Elek­tro­spin­nen an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth prä­pa­riert und umfas­send auf ihre Eigen­schaf­ten und Ver­hal­tens­wei­sen hin gete­stet. Die ein­zig­ar­ti­ge Festig­keit in Kom­bi­na­ti­on mit hoher Zähig­keit hat uns dabei immer wie­der fas­zi­niert“, berich­tet die Bay­reu­ther Poly­mer­wis­sen­schaft­le­rin Prof. Dr. See­ma Agarwal.

Erst­au­tor der in Sci­ence ver­öf­fent­lich­ten Stu­die ist der Bay­reu­ther Che­mie-Dok­to­rand Xiao­ji­an Liao. „Es freut mich sehr, dass ich im Rah­men mei­ner Dok­tor­ar­beit zu die­sem mate­ri­al­wis­sen­schaft­li­chen For­schungs­er­folg bei­tra­gen konn­te. Die inten­si­ven inter­dis­zi­pli­nä­ren Kon­tak­te zwi­schen Che­mie, Phy­sik und Mate­ri­al­wis­sen­schaf­ten auf dem Bay­reu­ther Cam­pus haben mir in den letz­ten Jah­ren wich­ti­ge Anre­gun­gen gege­ben“, sagt Liao.