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<h2>Einblick: Smarte Polymere</h2>Seit etwa 30 Jahren werden Polymere hergestellt, die „smart“ genannt werden (Abbildung oben):1) Sie ändern durch einen Stimulus wie Licht, Temperatur- oder pH-Wertänderung oder ähnliches eine oder mehrere Eigenschaften. Diese sind also schaltbar. So können diese Polymere etwa ihre Form wechseln.<figure><img src="https://media.graphcms.com/hrsCg1ELQEaNWttZM5FX"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Smarte Polymere und deren schaltbare Eigenschaften sowie deren aktuelle Anwendungsfelder.</figcaption></figure>
Wir versuchen, Polymeren, die als „Plastik“ der Inbegriff eines synthetischen Materials sind und damit das Gegenteil der Natur, quasi Leben einzuhauchen. Heute lassen sich intelligente Polymere oft nur schwer von solchen Polymeren abgrenzen, die lediglich stimuliresponsiv sind; wir haben kein Maß für den Intelligenzquotienten eines Materials. Im Jahr 1991 definierten amerikanische Forscher diese Materialklasse so: „Smart molecules are designed to receive a stimulus, transmit or process it, and then to respond by producing a useful effect, which may include a signal showing that the smart material is working.”2) Wir erhalten also einen nützlichen Effekt aus der Eigenschaft des Polymers, was aktuelle Beispiele zeigen: So erhöhen temperaturresponsive Polymere die Sicherheit von Lithiumbatterien mit Metallanode.3) Selbstheilende Beschichtungen können einen Kratzer verschwinden lassen und zeigen zusätzlich den Schaden durch Farbänderung an.4) Katalysatoren werden in ihrer Aktivität geschaltet wie in der Natur Enzyme.5) Eine besondere aktuelle Einsatzmöglichkeit der intelligenten Polymere ist der 4-D-Druck.<h2>4-D-Druck</h2>In den letzten Jahren wurden etliche 3-D-Druckverfahren für Polymere etabliert. Intelligente Polymere liefern hierbei eine zusätzliche vierte Dimension – die Zeit. Nach Verarbeitung des Materials nimmt dieses etwa durch Temperaturänderung eine andere Gestalt an. So lassen sich Formen erreichen, die durch den direkten 3-D-Druck eines Polymers nicht zugänglich wären.6)Insbesondere die Kombination aktiven, also schaltbaren Materials mit passivem Material erzeugt interessante Strukturen: Beispielsweise wird ein Würfel als zweidimensionales Objekt gedruckt, dessen sechs Teilflächen sich erst durch einen Stimulus zu einem Würfel falten. Hier befindet sich das aktive Material in den Faltkanten.Meist basieren diese Systeme auf Formgedächtnispolymeren, die auf Temperaturänderungen reagieren. Es gibt aber auch Beispiele für den Einsatz pH-responsiver Materialien sowie für die Nutzung unterschiedlichen Quellverhaltens von Materialien. In diesem Zusammenhang entstanden mit Digital-Light-Processing (DLP) unter Nutzung von Epoxidharz und Polyacrylat sowie Photoinitiatoren verschiedene Strukturen. Diese quellen in Wasser unterschiedlich und verformen so die Polymerkörper.7)Smarte Polymere erweitern nicht nur die Verarbeitungsmöglichkeiten, sondern eignen sich auch, um besondere Objekte herzustellen. Etwa solche, die sich etwa durch Nutzung reversibler Schaltvorgänge für die weiche Robotik eignen.8) So schalten die Temperatur oder, wenn Azobenzole vorhanden sind, Licht etwa flüssigkristalline Elastomere reversibel. Damit lassen sich Greifer herstellen.Der Einsatz intelligenter Polymere ist nicht auf makroskopische Objekte beschränkt. Auch schaltbare Mikrostrukturen basierend etwa auf Poly(N-isopropylacrylamid) (pNIPAM) lassen sich herstellen.9) Dieses Polymer ist temperaturresponsiv und schaltet bei zirka 40 °C (Abbildung oben).<figure><img src="https://media.graphcms.com/Xx3qIl3MSOGUQ7K3R0vE"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Bewegung der Mikrostrukturen durch Temperaturänderungen: a) schematische Darstellung der Bimaterial-Heterostrukturen, b) reversible Schaltung der Krümmung, c) Reproduzierbarkeit – Schaltung von neuen gleichen Strukturen, d) Strukturen in Abhängigkeit der Länge (Skalierung: 20 µm für a und b; 50 µm für c und d).4)</figcaption></figure>
Als einer der nächsten großen Schritte gelten Gradientenmaterialien.10) Im Gegensatz zur Kombination schaltbarer mit passiven Bereichen gibt es Übergangsbereiche mit sich graduell ändernder Zusammensetzung, wie sie oft in der Natur vorkommen.
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1 C. A. Rogers, J. Intell. Mater. Sys. Struct. 1993, 3, 4–12</li><li>
2 D. H. Reneker, W. L. Mattice, R. P. Quirk, S. J. Kim, Smart Mater. Struct. 1992, 1, 84–90</li><li>
3 Q. Zhou, S. Dong, Z. Lv, G. Xu, L. Huang, Q. Wang, Z. Cui, G. Cui, Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903441</li><li>
4 J.-P. Wang, X. Song, J.-K. Wang, X. Cui, Q. Zhou, T. Qi, G. L. Li, Adv. Mater. Interfaces 2019, 6, 1900055</li><li>
5 A. Herberg, X. Yu, D. Kuckling in Smart Polymer Catalysts and Tunable Catalysis, Elsevier 2019</li><li>
6 ) X. Kuang, D. J. Roach, J. Wu, C. M. Hamel, Z. Ding, T. Wang, M. L. Dunn, H. J. Qi, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1805290</li><li>
7 J. J. Schwartz, A. J. Boydston, Nat. Commun. 2019, 10, 791</li><li>
8 S. Li, H. Bai, R. F. Shepherd, H. Zhao, Angew. <a href="https://Chem.Int" target="_blank">Chem.Int</a>. Ed. 2019, 58, 11182–11204</li><li>
9 M. Hippler, E. Blasco, J. Qu, M. Tanaka, C. Barner-Kowollik, M. Wegener, M. Bastmeyer, Nat. Commun. 2019, 10, 232</li><li>
10 C. Zhang, X. Lu, G. Fei, Z. Wang, H. Xia, Y. Zhao, ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 44774–44782</li></ul>

<h2>Der Autor</h2>Martin D. Hager, Jahrgang 1980, ist Gruppenleiter am Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie (IOMC) der Universität Jena. Seine Forschungsinteressen umfassen selbstheilende Polymere sowie „Polymere &amp; Energie“.<div><img src="https://media.graphcms.com/maJ5DONJTvOCKzpkKhc7">

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Einblick: Smarte Polymere

Einblick: Smarte PolymereSeit etwa 30 Jahren werden Polymere hergestellt, die „smart“ genannt werden (Abbildung oben):1) Sie ändern durch einen Stimulus wie Licht, Temperatur- oder pH-Wertänderung oder ähnliches eine oder mehrere Eigenschaften. Diese sind also schaltbar. So können diese Polymere...

Die bedeutendsten Errungenschaften der Polymerforschung, was das ideale Polymer ausmacht und mit welcher wissenschaftlichen Berühmtheit sie gerne einmal ausgehen würden: Das verraten neun Polymerchemiker.
Markus Antonietti, Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung Potsdam-Golm<div><img src="https://media.graphcms.com/gj8iCfiuSP23hhvdNaEk">

</div>Was halten Sie für die bedeutendste Entwicklung der makromolekularen Chemie in den letzten 50 Jahren?Selbstheilende Polymere und Vitrimere.Welche Eigenschaften hat das ideale Polymer?Es verschwindet, wenn es nicht gebraucht wird. Wir müssen das Ende des Lebenszyklus in Polymere einbauen.Mit welchem Polymerchemiker würden Sie gerne einmal essen gehen und warum?Hermann Staudinger. Ich würde ihn nach den tollen Erfindungen in der organischen Chemie fragen (besonders Ketenchemie), die er aufgegeben hat, um die Polymerhypothese zu überprüfen.Christina Bergmann, Hansen &amp; Rosenthal<div><img src="https://media.graphcms.com/p9GPrNMQea1QsDTgfXsv">

</div>Was halten Sie für die bedeutendste Entwicklung der makromolekularen Chemie in den letzten 50 Jahren?Die Biopolymere. Von Natur und Botanik inspiriert sind in den letzten Jahren neue Arten von Biopolymeren aus nachwachsenden Rohstoffen, aus Bakterien und Pilzen oder aus Spinnenseide entstanden, mit außergewöhnlichen Eigenschaften für verschiedene Anwendungen.Wie müssen die derzeit erhältlichen Kunststoffprodukte verändert werden, damit sie zukunftsträchtig sind?Mehr denn je sind Umdenkprozesse und neue umweltfreundliche und nachhaltigere Polymere erforderlich. Das in den letzten Jahren entstandene sozial-ökologische Bewusstsein kann zu neuen Technologien und Produkten führen, etwa wenn Kohlendioxid und Wasserstoff als Rohstoffe dienen oder aus gentechnisch veränderten Materialien eine neue Generation von Polymerwerkstoffen wird.Mit welchem Polymerchemiker würden Sie gerne einmal essen gehen und warum?Es wäre mir eine Ehre, mit Karl Ziegler essen zu gehen. Neben seiner Arbeit zur Chemie und Technologie der Hochpolymere würde ich mich mit ihm über die Kunst des Expressionismus und der Klassischen Moderne austauschen – seine bedeutendste Kunstsammlung umfasste Werke von Franz Marc, Emil Nolde, Paul Klee oder Oskar Schlemmer und weiteren Meistern des Expressionismus und der Bauhausperiode.Ruth Bieringer, Freudenberg Sealing Technologies<div><img src="https://media.graphcms.com/whL5hd0fQYK8cYS08IKv">

</div>Was halten Sie für die bedeutendste Entwicklung der makromolekularen Chemie in den letzten 50 Jahren?Polymere Verbundwerkstoffe, die Stähle und Leichtmetalle ersetzen.Welche Eigenschaften hat das ideale Polymer?Seine Herstellung benötigt nur minimale Ressourcen; Energie, Rohstoffe sind biobasiert oder – noch besser – mit Rezyklierungsverfahren oder biotechnisch gewonnen; es hat auf die Anwendung maßgeschneiderte Eigenschaften und eine auf die Anwendung abgestimmte Lebensdauer; es lässt sich komplett rezyklieren oder ist bioabbaubar.Mit welchem Polymerchemiker würden Sie gerne einmal essen gehen und warum?Mit Charles Goodyear. Er war eigentlich kein Polymerchemiker, sondern Tüftler und Autodidakt; als Erfinder der Vulkanisation und damit des Gummis hat er den Grundstein für die Welt der Elastomere gelegt. Ich vermute, dass seine vielschichtige Persönlichkeit eine äußerst kurzweilige Unterhaltung garantieren würde.Patrick Glöckner, Evonik<div><img src="https://media.graphcms.com/877Pv4bQYizIeMEbnLFC">

</div>Was halten Sie für die bedeutendste Entwicklung der makromolekularen Chemie in den letzten 50 Jahren?Es ist die breite Anwendungsvielfalt, die die makromolekulare Chemie ermöglicht: von Massenkunststoffen aus Polyolefinen bis hin zu Hochleistungskunststoffen für Luft- und Raumfahrt oder medizinische und elektronische Anwendungen.Wie müssen die derzeit erhältlichen Kunststoffprodukte verändert werden, damit sie zukunftsträchtig sind?Wir müssen Herstellung und Nutzung der Kunststoffe ganzheitlich betrachten, um die negativen Folgen durch geschlossene Wertschöpfungsketten zu minimieren. Das enthält den Einsatz nachhaltiger Rohstoffe, die Berücksichtigung von Recyclefähigkeit beim Design von Produkten, konsequentes Abfallmanagement, das auch den Endverbraucher einschließt, und die stoffliche Nutzung der mechanisch und chemisch recycelten Rohstoffe.Mit welchem Polymerchemiker würden Sie gerne einmal essen gehen und warum?Meine Gespräche mit Helmut Ringsdorf haben mich gelehrt, nicht nur die Wissenschaft und die Projektierung von Arbeitszielen im Blick zu haben, sondern stets den Menschen zu sehen und zu fördern. Ein Essen mit ihm – inklusive einem guten Wein – wäre eine Bereicherung.Jean-Marie Lehn, Universität Straßburg<div><img src="https://media.graphcms.com/B8XMqs0DS7iesu713u10">

</div>Which do you think is the most important development in the last 50 years of macromolecular chemistry?There is not just ONE major development. There are many as it is an extremely rich field in basic as well as applied science. Such developments have been made in mainline macromolecular polymer chemistry as well as in diverse areas such as conducting polymers, biopolymers, precision polymers, supramolecular polymers, dynamic polymers etc. etc.Which properties has the ideal polymer?There is not just one „ideal“ polymer, there are many, depending on what functionalities are sought in basic science, materials science, bioscience, from high strength to soft materials, from photopolymerization to controlled drug release etc… Which polymer chemist (might as well be dead by now) would you like to have dinner with and why?Of course with Hermann Staudinger, who spent his early carrier in our university in Strasbourg and discovered ketenes here in 1905!Rolf Mülhaupt, Universität Freiburg<div><img src="https://media.graphcms.com/5YzTCvUzRs6sOrXKvg8n">

</div>Was halten Sie für die bedeutendste Entwicklung der makromolekularen Chemie in den letzten 50 Jahren?Mit Einzentren-Katalysatorsystemen und Mehrzonenreaktoren werden heute nicht nur molekulare Architekturen mit früher undenkbarer Präzision gesteuert, sondern auch Molmassenverteilungen, Nanostrukturbildung und Werkstoffeigenschaften. Granulat entsteht direkt bei der Polymerisation. Erstmals sind Eisenkatalysatoren industriell im Einsatz. Als Rohstoffquellen werden neben Öl und Gas Biomasse, Polyolefinabfall und Kohlendioxid genutzt.Welche Eigenschaften hat das ideale Polymer?Den idealen Alleskönner-Super(bio)kunststoff, der sich auf Zuruf in Kohlendioxid und Wasser zersetzt, wird es nicht geben. Kunststoffe sind vielseitig und erfinden sich ständig neu, sind Schrittmacher bei vielen Zukunftstechnologien und bringen den Menschen Lebensqualität. Es gilt, die erheblichen brachliegenden Leistungsreserven für die Kreislaufwirtschaft zu mobilisieren und weltweit Überzeugungsarbeit für die Kreislaufwirtschaft zu leisten.Mit welchem Polymerchemiker würden Sie gerne einmal essen gehen und warum?Mit Hermann F. Mark, den ich persönlich kannte und sehr schätze. Er hat virtuos Grundlagen- und Anwendungsforschung zusammengeführt und war eine Persönlichkeit, mit der man sich über alles aus Wissenschaft, Gesellschaft, Zeitgeschichte und Gastronomie austauschen konnte.Klaus Müllen, Max-Planck-Institut für Polymerforschung Mainz<div><img src="https://media.graphcms.com/31m49x1FSticRsWDU8lu">

</div>Was halten Sie für die bedeutendste Entwicklung der makromolekularen Chemie in den letzten 50 Jahren?Präzisionspolymersynthesen, etwa katalysierte Olefinpolymerisation oder kontrollierte Radikalik.Welche Eigenschaften hat das ideale Polymer?Es muss stimulusinduziert (bio)abbaubar werden.Wie müssen die derzeit erhältlichen Kunststoffprodukte verändert werden, damit sie zukunftsträchtig sind?Es müssen Polymere sein, die technologisch einen wirklichen Durchbruch erlauben, statt inkrementell verbesserte Produkte. Dieser Durchbruch muss aus der Chemie und nicht aus dem Ingenieurwesen kommen, etwa auf dem Weg zum Quantum Computing.Petra Severit, Altana<div><img src="https://media.graphcms.com/htxLGVNTOGuRpqSZKMvN">

</div>Was halten Sie für die bedeutendste Entwicklung der makromolekularen Chemie in den letzten 50 Jahren?Intrinsisch leitfähige Polymere, die auch für die molekulare Elektronik an Bedeutung gewinnen werden.Welche Eigenschaften hat das ideale Polymer?Es gibt nur das ideale Polymer für eine spezielle Anwendung. Grundsätzlich muss jedes ideale Polymer entlang der kompletten Wertschöpfungskette aber nachhaltig, rezyklierbar und CO2-neutral sein und in einer Circular Economy integriert sein.Mit welchem Polymerchemiker würden Sie gerne einmal essen gehen und warum?Mit Paul Flory. Er hat die Grundlagen zu allen wesentlichen Fragen der Physikochemie von Polymeren geschaffen. Daraus lassen sich systematische Struktur-Eigenschaftbeziehungen erarbeiten, die die drängenden Fragen für nachhaltige Polymerentwicklung noch heute prägen.Brigitte Voit, Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden<div><img src="https://media.graphcms.com/kkustLGPQaKeBAGHv5ak">

</div>Was halten Sie für die bedeutendste Entwicklung der makromolekularen Chemie in den letzten 50 Jahren?Die deutliche Erhöhung der Möglichkeiten, funktionelle Polymere maßzuschneidern, maßgeblich basierend auf den Methoden der kontrollierten radikalischen Polymerisation, kombiniert mit Methoden der Klickchemie. Das eröffnete ganz neue Wege zu funktionellen Polymeren, etwa zur Selbstassemblierung zu polymeren Nanostrukturen und für die Nutzung in Soft Matter und Biomedizin.Welche Eigenschaften hat das ideale Polymer?Ideal wäre, dass ein Polymer die gewünschte Funktion in der Anwendung bestmöglich erfüllt, sich kostengünstig und nachhaltig herstellen lässt und nach der Anwendung zu 100 Prozent wiederverwertbar ist.Mit welchem Polymerchemiker würden Sie gerne einmal essen gehen und warum?Mit Hermann Staudinger – mich würde sehr interessieren, was er von der Entwicklung der makromolekularen Chemie in den letzten 100 Jahre halten würde, und ob er sich der Bedeutung seiner Forschung und Erkenntnisse für die Zukunft auch nur annähernd bewusst war.

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Einblick: Smarte Polymere

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