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Glaswerkstoff Hybrider Glaswerkstoff vereint organische und anorganische Komponenten

Redakteur: Juliana Pfeiffer

Forschenden der Universitäten Jena und Cambridge haben eine neue Klasse hybrider Glaswerkstoffe entwickelt, die organische und anorganische Komponenten vereint. Eigenschaften wie die Schlagfestigkeit und Bruchzähigkeit von Kunststoffen wird mit der Steifigkeit anorganischer Gläser verbunden.

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Der hybride Glaswerkstoff verbindet die Schlagfestigkeit und Bruchzähigkeit von Kunststoffen mit der hohen Härte und Steifigkeit anorganischer Gläser.
Der hybride Glaswerkstoff verbindet die Schlagfestigkeit und Bruchzähigkeit von Kunststoffen mit der hohen Härte und Steifigkeit anorganischer Gläser.
(Bild: Univeristät Jena)

Verbundstoffe aus organischen und anorganischen Materialien sind in der Natur häufig zu finden. So machen beispielsweise das organische Strukturprotein Kollagen und das anorganische Mineral Apatit dem menschlichen Knochen biegsam und fest zugleich.

Bisher ist jedoch die Natur der technologischen Materialentwicklung weit überlegen – ähnlich funktionale Hybridmaterialien künstlich herzustellen, ist noch immer eine große Herausforderung.

Metallorganische und anorganische Gläser chemisch verbunden

Forschenden der Universitäten Jena und Cambridge ist es nun jedoch gelungen, eine neue Klasse hybrider Glaswerkstoffe herzustellen, die ebenfalls organische und anorganische Komponenten vereint und den Werkstoffen ganz besondere mechanische Eigenschaften verleiht. Dabei sind metallorganische und anorganische Gläser chemisch verbunden. Seine Arbeit stellt das Forschungsteam in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachmagazins „Nature Communications“ vor.

Metallorganisches Netz als Grundgerüst des neuen Materials

Werkstoffe aus metallorganischen Netzwerken – sogenannte MOF-Materialien – haben vielfältige Einsatzgebiete:

  • als Trennmembranen oder Speicher für Gase und Flüssigkeiten
  • als Träger für Katalysatoren
  • als Träger für elektrische Energiespeicher

Vorteil der MOF-Materialien: ihre Gitterstruktur kann bis in den Größenbereich einiger Nanometer hinein genau eingestellt werden. Damit wird eine Porosität erreicht, die in ihrer Porengröße,ihrer Durchströmbarkeit als auch hinsichtlich der an den Porenoberflächen vorherrschenden chemischen Eigenschaften an eine Vielzahl von Anwendungen angepasst werden kann.

Glasiger Zustand durch Temperaturbehandlung

„Das chemische Design von MOF-Materialien folgt einem Baukastenprinzip, nach dem anorganische Teilchen über organische Moleküle miteinander zu einem dreidimensionalen Netzwerk verbunden werden“, erläutert Louis Longley von der Universität Cambridge. Daraus ergibt sich eine große Vielfalt möglicher Strukturen, so der britische Forscher. Einige dieser Strukturen könnten durch Temperaturbehandlung in einen glasigen Zustand überführt werden.

Während klassische MOF-Materialien typischerweise in Pulverform vorliegen, ermöglicht der Glaszustand vielfältige Verarbeitungsformen des Materials.

Neue Eigenschaften in der elektrischen Leitfähigkeit

Was haben die Wissenschaftler gemacht? Sie kombinieren MOF-abgeleitete Gläser mit klassischen, anorganischen Glaswerkstoffen und verbinden damit das Beste beider Welten. Courtney Calahoo vom Lehrstuhl für Glaschemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena verweist auf die verbesserten mechanischen Eigenschaften solcher Kompositgläser gegenüber bisherigen Gläsern. Mit dem hybriden Glaswerkstoff verbinden die Forscher die Schlagfestigkeit und Bruchzähigkeit von Kunststoffen mit der hohen Härte und Steifigkeit anorganischer Gläser.

Dabei werden die beteiligten Materialien nicht einfach nur miteinander gemischt, sondern es entsteht ein Kontaktbereich. In diesem Kontaktbereich können sich nun chemische Bindungen zwischen dem metallorganischen Netzwerk und dem herkömmlichen Glas ausbilden. „Nur auf diese Weise können wirklich neue Eigenschaften erhalten werden, zum Beispiel in der elektrischen Leitfähigkeit oder der mechanischen Widerstandsfähigkeit“, erläutert der Glaschemiker Prof. Dr.-Ing. Lothar Wondraczek von der Universität Jena.

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