Wenn zwei Materialien miteinander in Kontakt kommen, bildet sich zwischen ihnen ein Bereich (eine so genannte „Grenzfläche“), der Moleküle beider Materialien enthält. Wenn die Grenzfläche breit ist, ist es schwierig, die Materialien auseinander zu ziehen, und man geht davon aus, dass sie stark aneinander haften. Die Adhäsion zwischen Materialien kann durch die Einführung reversibler Bindungen in diese Grenzfläche aktiviert und deaktiviert werden.
Das Problem mit Polymermolekülen
Reversible Bindungen sind Bindungen, die sich unter bestimmten Bedingungen auflösen und neu bilden. Die Wirt-Gast-Komplexierung ist eine Möglichkeit, reversible Bindungen zu erzeugen. Ein „Wirt“ ist in der Regel ein großes Molekül mit einem Hohlraum, in den ein kleineres „Gast“-Molekül passt, ähnlich wie bei einem Schloss und einem Schlüssel. Das Gastmolekül, das im Wirt sitzt, bildet einen Wirt-Gast-Komplex.
„Gast- und Wirtsmoleküle müssen sich aufeinander zubewegen können, damit sich diese Komplexe bilden können, aber Polymermoleküle sind sperrig und können sich nicht leicht bewegen“, erklärt der Erstautor Kenji Yamaoka. „Daher ist die Komplexbildung an Polymer-Polymer-Grenzflächen ineffizient, was es schwierig macht, eine reversible Adhäsion in Polymersystemen zu erzeugen.“
Bei einer bestimmten Temperatur, der so genannten Glasübergangstemperatur (Tg), gehen die Segmente der Polymerketten von einem gefrorenen, glasartigen Zustand in die freie Bewegung über. Je höher die Temperatur des Polymers über Tg liegt, desto leichter können sich die Segmente bewegen.
Das Forscherteam stellte zwei Polymere her, die sich reversibel miteinander verbinden können. Die Forscher stellten den Tg-Wert so ein, dass sich die Polymere frei aufeinander zu bewegen konnten. Um den Mechanismus hinter der reversiblen Adhäsion vollständig zu verstehen, lenkte das Team Neutronen von der Grenzfläche ab, um das Kleben und Schälen auf molekularer Ebene zu visualisieren.
Abbauen bei Bedarf
„Wir fanden heraus, dass die Steuerung der Temperatur oder das Hinzufügen/Entfernen von Chemikalien es ermöglicht, Komplexe aufzubrechen und neu zu bilden, was zu Peeling und erneuter Adhäsion bei Bedarf führt“, sagt Yoshinori Takashima, leitender Autor. „Unsere Ergebnisse sind sehr interessant, da sie für viele Industriezweige von Nutzen sein könnten.“
Der neuartige Klebstoff kann bei Bedarf abgebaut und mehrfach wiederverwendet werden, was die Produktionsausbeute von Präzisionsgeräten verbessern, die Kosten senken und die Abfallmenge minimieren könnte. Die Forschungsergebnisse des Teams werden zweifellos für die Hersteller von Interesse sein, aber auch zur Abfallreduzierung und zum Recycling beitragen.
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