Neuer Durchbruch bei transparenten Materialien! Die „schwarze Technologie“ des supramolekularen Glases

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Shi Wuyao (PhD in Biologie)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

Transparente Materialien sind in unserem täglichen Leben allgegenwärtig, vom Smartphone-Bildschirm bis zu den Fenstern von Hochhäusern. Sie bieten uns mit ihrer einzigartigen Transparenz und Funktionalität unendlichen Komfort. Wissenschaftler erforschen außerdem ein neues transparentes Material – supramolekulares Glas, das eine neue Revolution auf dem Gebiet der transparenten Materialien einleiten könnte.

Also, was genau ist supramolekulares Glas? Was sind seine einzigartigen Vorteile? Lassen Sie uns als Nächstes in die Welt des supramolekularen Glases eintauchen und dieses neue Kapitel zukünftiger transparenter Materialien erkunden.

Transparente Fenster

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Am 19. April 2024 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler in der Zeitschrift Nature Communications einen Artikel über die Herstellung von supramolekularem Glas und kündigten die Entwicklung von hochtransparentem supramolekularem Glas an, das eine neue Idee für die Konstruktion transparenter Materialien in der Zukunft liefert!

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht

(Bildquelle: Nature Communications)

Was ist supramolekulares Glas?

Supramolekulares Glas, ein Name, der ziemlich mysteriös klingt, ist eigentlich ein amorphes Material, das durch nicht-kovalente Vernetzung entsteht. Im Vergleich zu herkömmlichen anorganischen und organischen Gläsern haben supramolekulare Gläser aufgrund ihrer einzigartigen intrinsischen Strukturmerkmale und hervorragenden optischen Eigenschaften viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen.

Es handelt sich nicht nur um ein transparentes Material, sondern auch um ein Material, das Recyclingfähigkeit, gute Verträglichkeit und thermische Verarbeitbarkeit vereint. Diese Eigenschaften verleihen supramolekularem Glas breite Anwendungsmöglichkeiten in der industriellen Produktion, der wissenschaftlichen Forschung und im täglichen Leben. Allerdings steckt die Forschung zum Thema supramolekulares Glas noch in den Kinderschuhen.

Glas

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Herstellung von supramolekularem Glas

Wissenschaftler verwendeten die Methode der Lösungsmittelverdampfung, um supramolekulares Glas unter Verwendung von Methyl-β-Cyclodextrin und p-Hydroxybenzoesäure als Rohstoffe zu synthetisieren.

Der Syntheseprozess ist im Wesentlichen in zwei Schlüsselschritte unterteilt: Zunächst werden unter Hochtemperaturbedingungen die Wassermoleküle aus der Mischung aus Methyl-β-Cyclodextrin und wässriger p-Hydroxybenzoesäurelösung durch Verdampfung entfernt. Methyl-β-Cyclodextrin wird als Wirtsmolekül und p-Hydroxybenzoesäure als Gastmolekül verwendet, um durch Wirt-Gast-Erkennung ein neues supramolekulares Polymer zu bilden. Zweitens wurde das Polymer 10 Minuten lang bei einer Temperatur und einem Druck von 80 °C und 20 MPa heißgepresst, um schließlich ein transparentes, massives supramolekulares Glas herzustellen.

Da es zwischen den beiden Substanzen der synthetischen Rohstoffe mehrere Wirt-Gast-Einheit-Erkennungsmodi gibt, ist auch die Struktur des endgültigen supramolekularen Glases vielfältig.

Herstellungsprozess von supramolekularem Glas

(Bildquelle: Referenz 1)

Eigenschaften von supramolekularem Glas

Die Wissenschaftler führten eine Reihe von Charakterisierungen der Eigenschaften des hergestellten supramolekularen Glases durch. Die Ergebnisse zeigen, dass das synthetisierte supramolekulare Glas farblos und transparent ist. Bei Bestrahlung mit Licht einer breiten Wellenlänge von 300 bis 1000 nm beträgt die Transparenz des supramolekularen Glases mehr als 85 %, was mit der Transparenz der auf dem Markt erhältlichen transparenten Glasmaterialien vergleichbar ist.

Wenn das supramolekulare Glas jedoch unter Vakuum getrocknet wird, wird es zu einem undurchsichtigen Material mit einer sichtbaren Lichtdurchlässigkeit von weniger als 10 %.

Die Wissenschaftler charakterisierten das supramolekulare Glas weiter mithilfe einer Kombination aus Rasterkraftmikroskopie, Oberflächenmessungen sowie Dehnungs- und Gewichtsbelastungsexperimenten. Die Ergebnisse zeigen, dass das hergestellte supramolekulare Glas eine dichte, porenfreie Struktur mit guter Stabilität und mechanischer Festigkeit aufweist. Eine Dicke von 2 mm hält einem Gewicht von 200 g stand, ohne zu brechen.

Eigenschaften von supramolekularem Glas (a, Foto von supramolekularem Glas; b, Transmission von supramolekularem Glas und trockenem Glas; c, Foto von trockenem Glas; de, Charakterisierung der Atomkraft; f, reduzierter Modul und Härte von supramolekularem Glas und trockenem Glas; g, Belastungstest; h, Zugspannungs-Dehnungs-Kurve; i, zeitliche Veränderung der Zugspannung von supramolekularem Glas bei Raumtemperatur und 30 % Luftfeuchtigkeit)

(Bildquelle: Referenz 1)

Neben seiner hervorragenden Transparenz und mechanischen Festigkeit ist supramolekulares Glas auch recycelbar! Das supramolekulare Glas wird in Stücke geschnitten und dann zu kleinen Partikeln im Mikrometerbereich gemahlen. Lösen Sie diese kleinen Partikel in einer Lösung auf, erhitzen Sie das Wasser in der Lösung erneut, um es zu verdampfen, und pressen Sie das resultierende Rohprodukt heiß, um ein neues supramolekulares Glas herzustellen.

Nach fünfmaliger Wiederholung des Herstellungsprozesses nimmt die Transparenz des endgültig erhaltenen Glases im Vergleich zum ersten Glas nicht ab.

Darüber hinaus fügten die Wissenschaftler dem Glas eine Reihe anorganischer und organischer Verbindungen wie Silbernitrat, Kupfersulfat und Eisenchlorid hinzu, und das hergestellte Glas behielt dennoch seine gute Transparenz und mechanische Festigkeit. Supramolekulares Glas weist eine gute chemische Verträglichkeit mit diesen Zusatzstoffen auf.

Basierend auf dieser Eigenschaft können Wissenschaftler in nachfolgenden Forschungsarbeiten supramolekulares Glas modifizieren, um den Anwendungsbereich von supramolekularem Glas zu erweitern.

Recyclingfähigkeits- und Kompatibilitätsprüfung von supramolekularem Glas (a, Glasrecycling; b, Transparenz von recyceltem Glas; c, e, Glas nach Zugabe verschiedener Chemikalien; f, Transparenz von Glas nach Zugabe verschiedener Chemikalien; g, reduzierter Modul und Härte von Glas nach Zugabe verschiedener Chemikalien)

(Bildquelle: Referenz 1)

Abschluss

Supramolekulares Glas ist ein strahlender neuer Stern auf dem Gebiet der Materialwissenschaften und bietet aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften und hervorragenden Leistung breite Anwendungsaussichten in vielen Bereichen. Allerdings sind bei der Erforschung und Anwendung von supramolekularem Glas noch viele Herausforderungen zu bewältigen, von der Optimierung des Herstellungsprozesses bis hin zur Leistungsverbesserung, von der Kostenkontrolle bis hin zu Umweltaspekten.

Wir sind davon überzeugt, dass uns supramolekulares Glas mit dem technologischen Fortschritt und eingehender Forschung noch weitere Überraschungen und Durchbrüche bescheren wird. Freuen wir uns auf die glänzende Zukunft des supramolekularen Glases!

Quellen:

1.Cai, C., Wu, S., Zhang, Y. et al. Transparentes supramolekulares Glas in großen Mengen, ermöglicht durch molekulare Wirt-Gast-Erkennung. Nat Commun 15, 3929 (2024).

2.Nie, F., Wang, KZ. & Yan, D. Supramolekulare Gläser mit farblich abstimmbarem zirkular polarisiertem Nachleuchten durch verdampfungsinduzierte Selbstorganisation chiraler Metall-organischer Komplexe. Nat Commun 14, 1654 (2023).

3. Wu Shenjiang, Zhang Wenbin, Cao Yan et al. Forschung zur Technologie zur Erkennung der Gleichmäßigkeit der Spannungsverteilung bei blocktransparenten Materialien[J]. Automatisierung und Instrumentierung, 2022 (000-001).

4. Wang Yanxing, Yang Penghui, Li Xianzi et al. Forschungsfortschritt bei hochtemperaturbeständigen transparenten Materialien[J]. Funktionale Materialien, 2022, 53(10):10054-10061.