Ausgabe - 10 - 2012 - Produktion

16 · F&E · Produktion · 8. März 2012 · Nr. 10
Kunststoffe
Erstmals zweidimensionale Polymere hergestellt
Sabine Voser, Produktion Nr. 10, 2012
Für eine kleine Sensation in der synthetischen Chemie sorgen Wissenschaftler
der ETH Zürich und der Empa. Erstmals ist es gelungen,
regelmäßig angeordnete zweidimensionale Polymere herzustellen,
die eine Art molekularen Teppich im Nanometermaßstab bilden
Zürich (ba). Der ETH-Chemiker
Hermann Staudinger postulierte
schon 1920 die Existenz von Makromolekülen
aus identischen
Bausteinen, die kettenförmig aneinandergereiht
sind. Er erntete dafür
in Fachkreisen zunächst nur
Hohn und Unverständnis. Doch
Staudinger sollte Recht (und 1953
gar den Chemienobelpreis) bekommen:
Bereits 1950 wurde weltweit
pro Kopf ein Kilogramm Polymere
– besser bekannt als Kunststoffe
– produziert; heute sind es
jährlich etwa 150 Mio t. Eine gigantische
Industrie, deren Produkte
aus unserem Alltag nicht mehr
wegzudenken sind. Einer Forschungsgruppe
unter Leitung der
Der „molekulare Teppich“
Quelle: Forschungsgruppe Schlüter / ETH Zürich
ETH-Forscher A. Dieter Schlüter
und Junji Sakamoto gelang nun ein
entscheidender Durchbruch: Sie
erzeugten erstmals zweidimensionale,
also flächige Polymere.
Polymere entstehen, indem sich
kleine Moleküle, so genannte Monomere,
durch chemische Reaktionen
kettenförmig zu hochmolekularen
Stoffen verbinden. Die Frage
war nun, ob Polymere ausschließlich
linear polymerisieren können.
Zwar gilt Graphen – zweidimensionale
Kohlenstoffschichten mit einem
wabenförmigen Muster – als
natürlicher Vertreter eines flächigen
Polymers, es kann allerdings
nicht kontrolliert hergestellt werden.
Um eine Synthese-Chemie für
© Produktion
Schematische Darstellung eines linearen kettenförmigen Polymers (blaue
Kästchen) und eines zweidimensionalen Polymers, bei dem sich die Monomere
flächig anordnen (orange Dreiecke).
zweidimensionale Polymere zu
entwickeln, mussten die ETH-Chemiker
zunächst oligofunktionale
Monomere – Polymerbausteine mit
mehreren reaktiven Stellen im Molekül
– synthetisieren, die sich nicht
linear oder gar räumlich (dreidimensional),
sondern lediglich rein
flächig miteinander verbinden.
Derartige Polymere müssen drei
oder mehr kovalente Bindungen
zwischen den sich regelmäßig wiederholenden
Einheiten aufweisen.
Die Wissenschaftler mussten daher
zunächst herausfinden, welche
Verbindungschemie und Umgebung
sich für die Herstellung eines
solchen „molekularen Teppichs“
am besten eignen.
Jede Schicht ergab ein
zweidimensionales Polymer
Einer Forschungsgruppe der ETH-Forscher konnte erstmals zweidimensionale,
also flächige, Polymere herstellen.
Bild: Baharlou - Fotolia.com
Sie entschieden sich für die Synthese
in einem Einkristall, ein Kristall
mit homogenem Schichtgitter.
Dem Doktoranden Patrick Kissel
gelang es schließlich, speziell hergestellte
Monomere in geschichtete
hexagonale Einkristalle kristallisieren
zu lassen. Dabei handelte es
sich um photochemisch empfindliche
Moleküle, für die eine solche
Anordnung energetisch optimal
ist. Bestrahlt mit Licht mit einer
Wellenlänge von 470 Nanometer,
polymerisierten die Monomere in
sämtlichen Schichten – und nur in
diesen. Um die einzelnen Schichten
voneinander zu trennen, kochten
die Forscher den Kristall in einem
geeigneten Lösungsmittel.
Ergebnis: Jede Schicht ergab ein
zweidimensionales Polymer.
Dass es dem Team tatsächlich
gelungen war, flächige Polymere
mit regelmäßiger Struktur herzustellen,
zeigten letztlich die Untersuchungen
am Transmissionselektronenmikroskop
(TEM) von Empa-Forscher
Rolf Erni und ETH-
Forscherin Marta Rossell, die inzwischen
ebenfalls am Elektronenmikroskopiezentrum
der Empa arbeitet.
„Die Herausforderung lag darin,
dass diese zweidimensionalen Polymere
extrem strahlungsempfindlich
sind und es deshalb schwierig
ist, die Struktur dieser Materialien
während der Messung im TEM
nicht zu zerstören“, erklärt Erni. Mit
Diffraktionsexperimenten bei minus
196 Grad Celsius, das heißt bei
der Temperatur, bei der Stickstoff
kondensiert, und hoch auflösenden
Aufnahmen bei niedriger Elektronendosis
gelang den Empa-Forschenden
schließlich der Nachweis,
dass die vernetzten Moleküle in der
Tat eine geordnete zweidimensionale
Struktur aufweisen.
Die Polymere sind zum Filtern
kleinster Moleküle nutzbar
Das entwickelte Polymerisationsverfahren
ist so schonend, dass alle
funktionellen Gruppen des Monomers
auch im Polymer an definierten
Stellen erhalten bleiben. „Unsere
synthetisch hergestellten Polymere
sind zwar nicht leitfähig wie
Graphen, dafür könnten wir sie aber
beispielsweise zum Filtern kleinster
Moleküle nutzen“, sagt Sakamoto.
In den regelmäßig angeordneten
Polymeren befinden sich nämlich
kleine definierte Löcher mit einem
Durchmesser im Subnanometerbereich.
Winzige Hexagone in den
Polymeren, gebildet durch Benzolringe
mit drei Ester-Gruppen, können
zudem durch ein einfaches hydrolytisches
Verfahren entfernt
werden. Dadurch würde ein Sieb
mit geordneter Struktur entstehen,
das sich zum selektiven Filtrieren
bestimmter Moleküle eignet.
Bevor sich die Forschenden jedoch
über konkrete Anwendungen
Gedanken machen können, gilt es
nun, die Materialeigenschaften der
zweidimensionalen Polymere zu
charakterisieren. Sie müssen zunächst
einmal einen Weg finden,
größere Mengen an größeren Flächen
herzustellen. Die Kristalle
haben derzeit nämlich eine Größe
von lediglich 50 Mikrometer. „Das
sind auf molekularer Ebene jedoch
bereits enorme Polymerisationsgrade“,
sagt Sakamoto.
Studie Arbeitsschutz
Arbeitsmittel müssen für Ältere sicherer gemacht werden
Produktion Nr. 10, 2012
Damit ältere Arbeitnehmer länger und sicher arbeiten können, müssen
Arbeitsmittel und Arbeitsplätze an deren Fähigkeiten angepasst werden.
Zu diesem Ergebnis kommt ein Forschungsbericht der Bundesanstalt
für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA).
Dresden (ba). Bei der Hälfte der
untersuchten Personen über 55 Jahren
erwiesen sich anerkannt sichere
Arbeitsmittel wie Handmaschinen
wegen altersbedingter Veränderungen
plötzlich als unsicher. Dies liegt
auch an offensichtlichen Gestaltungsmängeln
bei Maschinen seitens
der Hersteller: Obwohl ergonomische
Gestaltungsgrundsätze für Arbeitsmittel
schon lange bekannt seien,
würden die Hersteller von Handmaschinen
diese nicht konsequent
umsetzen, beklagen die Forscher.
Die Studie der BAuA untersuchte
erstmals, wie sich mehrere gleichzeitig
auftretende Belastungen wie
Lärm, Kraftanstrengung, Staub,
Feinmotorik und Sehfähigkeit auf
Veränderungen der Sinne und Fä-
higkeiten von älteren Arbeitnehmern
auswirken. Zu den in der Studie
genannten Handmaschinen
zählen unter anderem Winkelschleifer,
Bohrmaschinen und Spritzpistolen
beziehungsweise Hochdruckreiniger.
Das Projekt untersuchte,
wie sichere Arbeitsmittel konstruiert
sein müssen, um auch den Anforderungen
älterer Arbeitnehmer
zu genügen.
Bei der Arbeit mit dem Hochdruckreiniger
wirken beispielsweise
hohe Greif- und Haltekräfte auf den
Körper. Außerdem kommt es wie
beim Winkelschleifer und der Bohrmaschine
zu einer Schwingungsbelastung
des Hand-Arm-Systems. Bei
diesen beiden Geräten ist darüber
hinaus die Unfallgefahr besonders
groß. Die Ergebnisse der Studie eignen
sich deshalb auch für eine Gefährdungsbeurteilung,
die den Aspekt
des Alterns berücksichtigt.
Werden ergonomische Gestaltungsgrundsätze
berücksichtigt,
verbessert sich die Sicherheit bei der
Handhabung der Maschinen. Das
Ein Projekt der
Bundesanstalt
für Arbeitsschutz
und Arbeitsmedizin
untersucht,
wie sichere
Arbeitsmittel
konstruiert
sein müssen,
um auch
den Anforderungen
älterer Arbeitnehmer
zu
genügen.
Bild: Laurentiu Lordache
/ Fotolia.com
trägt auch dazu bei, dass sich der
Anteil der eingeschränkt leistungsfähigen
Arbeitnehmer verringert.
„Dies erscheint unabdingbar im
Hinblick auf die absehbare Entwicklung
des deutschen Arbeitsmarktes“,
schreiben die BAuA-Forscher. Die
Hälfte der Bevölkerung in Deutsch-
land sei älter als 40 Jahre und künftig
werde das Durchschnittsalter der
Beschäftigten weiter steigen.
Gleichzeitig kommen die Forscher
zu dem Schluss, dass ältere
Arbeitnehmer keineswegs automatisch
leistungsschwächer werden:
50 % der Versuchspersonen sind
demnach ohne Probleme in der Lage,
deutlich länger zu arbeiten.
Schwingungsbelastungen
sollten vermieden werden
Insgesamt raten die Forscher unter
anderem dazu, die Schwingungsbelastung
durch vibrationsmindernde
Teile am Gerät zu senken.
Im Rahmen der Studie wurden
81 junge und ältere Bediener von
Handgeräten zu ihrer subjektiven
Einschätzung der Belastung bezogen
auf die Umwelt, die Maschine
und sich selbst befragt. Interessanterweise
fühlten sich die jüngsten
Befragten (bis einschließlich 35 Jahre)
bei fast allen Belastungen am
stärksten belastet.