Widerstandsfähiges Gummi aus Proteinen

Inspiriert durch die Natur haben chinesische Wissenschaftler ein synthetisches Analogon zu vulkanisiertem Naturkautschuk hergestellt, das genauso zäh und fest ist wie sein Vorbild. Gleichzeitig ist das Material, anders als herkömmliche Kautschuke, gut rezyklierbar.

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Kautschuk ist ein Sammelbegriff für elastische Polymere, aus denen Gummi hergestellt wird. Der Hauptteil geht in Autoreifen, weitere Einsatzgebiete sind die Automobilindustrie und Gebrauchsgegenstände wie beispielsweise Kaltschaummatratzen. Obwohl bestimmte synthetische Kautschuke, Polyisoprene, die gleiche Hauptketten-Struktur wie Naturkautschuk aufweisen, sind vulkanisierte Naturkautschuke wesentlich fester und strapazierfähiger. Ursache ist eine spontane "Selbstverstärkung", eine reversible Versteifung des Materials bei mechanischer Belastung, die als Dehnungskristallisation bezeichnet wird. Offenbar spielen spezielle polare Komponenten an den Enden der Polymerketten eine Rolle für die hohe Belastbarkeit.

Quervernetzung der Polymerketten

Eine Funktionalisierung der Kettenenden könnte die mechanischen Eigenschaften synthetischer Kautschuke verbessern. Bisher mangelte es jedoch an geeigneten Synthese-Methoden. Den Forschern um Yun-Xiang Xu und Guangsu Huang von der Sichuan University, Chengdu (China), ist ein solcher Ansatz jetzt gelungen, den sie in der Zeitschrift "Angewandte Chemie" vorstellen. Mit einem bereits etablierten Katalysator-System auf der Basis Seltener Erden und spezieller stabilisierter Vorstufen gelang ihnen die Herstellung sehr langer Polymerketten aus Isopren-Einheiten mit einem hohen Anteil an cis-Verknüpfungen innerhalb des Rückgrates sowie einer Vielzahl an Seitenketten mit Hydroxylgruppen als polaren Endgruppen. Die Idee war nun, ähnlich wie beim Naturkautschuk, hier Biomoleküle anzuknüpfen, die für eine physikalische Quervernetzung der Polymerketten sorgen sollten.

Gut rezyklisierbar

Inspiriert von der hohen Festigkeit und Stärke von Spinnenseide, wählten die Forscher dafür kurze Eiweißketten aus vier Molekülen der Aminosäure Alanin. Da die Peptid- und die Polyisoprenketten nicht mischbar sind, lagern sich die Peptidketten bevorzugt zusammen, was für die gewünschte physikalische Quervernetzung der Polyisoprenketten sorgt. Die Festigkeit und Zähigkeit des neuen synthetischen Kautschuks werden auf diese Weise stark erhöht, ohne die Elastizität zu beeinträchtigen. Das Material zeigte zudem eine deutliche Selbstverstärkung durch Dehnungskristallisation, womit es in seinen Eigenschaften denen des vulkanisierten Naturkautschuks entspricht.

Da auf eine herkömmliche Vulkanisation verzichtet werden kann, ist die Wiederverwendbarkeit der neuartigen Hochleistungs-Polyisopren-Kautschuke deutlich verbessert. Auf diese Weise könnten die Unmengen an schlecht wiederverwendbarem Kautschuk zukünftig reduziert werden.