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Die Wissenschaft hinter 4 der größten Polymere aller Zeiten

2021

Hier bei PopSci konzentrieren wir uns normalerweise auf die neuesten Innovationen in Wissenschaft und Technologie. Viele frühere Innovationen in der Polymerwissenschaft - die Untersuchung von Kunststoffen und ähnlichen Materialien - sind jedoch nach wie vor relevant und verdienen Anerkennung. Sie haben Leben gerettet, Babys trocken gehalten und riesige Hai-Beobachtungsbecken ermöglicht. Einige haben Handelsnamen, die eine ganze Klasse von Produkten repräsentieren, wie zum Beispiel Kevlar. Andere lauern im Dunkeln. Hier sind einige der wichtigsten Materialien und ein Einblick in die Art und Weise, wie Wissenschaftler sie für die Anwendung ihrer Magie entworfen haben.

Anwendungen: Lucite, Zahnersatz, Aquarienfenster
Entwickelt in: 1877

Polymethylmethacrylat ist ein sehr vielseitiges Polymer. Wenn Sie jemals einen durchsichtigen Kunststoffblock sehen, handelt es sich wahrscheinlich um PMMA. Es wurde erstmals in den 1930er Jahren in Deutschland kommerzialisiert und ist heute überall dort zu finden, wo klares, starkes Material benötigt wird. Dazu gehören kugelsicheres "Glas" in Ihrem Lieblings-Spirituosengeschäft an der Ecke und die riesigen Haifischbecken im Monterey Bay Aquarium. Meine Lieblingsanwendung von PMMA ist jedoch die sogenannte "Frozen Lightning" - oder Lichtenberg-Figurenskulptur. Im Grunde genommen stecken Sie ein Stück PMMA in einen Elektronenbeschleuniger, schießen ein paar Elektronen in den Kunststoff, bis etwa zwei Millionen Volt aufgeladen sind, berühren Sie dann die Seite des Kunststoffs mit einem Stück Draht und beobachten Sie, wie Blitzeinschlagspuren entstehen in dem durchsichtigen Kunststoff.

Anwendungen: Windeln
Entwickelt in: 1960er Jahren

Früher wurden Windeln aus Stoff hergestellt. Häufig waren diese Stoffwindeln mit Bündeln aus natürlichen absorbierenden Fasern gefüllt. In den 1960er Jahren entdeckten Polymerwissenschaftler, dass sie Hydrogele wie Polyacrylsäure herstellen konnten, die ein Vielfaches ihres Eigengewichts an Wasser absorbieren. Es dauerte ungefähr zwei Jahrzehnte, aber Mitte der 80er debütierten Polymer-Superabsorber in Windeln. Superabsorber sind manchmal (aber nicht immer) Polyelektrolyte, was bedeutet, dass die Seitengruppen an den Polymerketten positiv oder negativ geladen sind. Das hilft den Ketten, sich mit polaren Flüssigkeiten wie Wasser zu verbinden.

Anwendungen: Bbulletproof Westen bzw. feuerfeste Kleidung
Entwickelt in: frühen 1960er Jahren (Nomex); 1965 (Kevlar)

Kevlar und Nomex sind zwei Polymere, die zu einer Klasse von Verbindungen gehören, die als Aramide bezeichnet werden - aromatische Polyamide. Aramide haben besonders starke chemische Bindungen, und Materialwissenschaftler nutzen diese Stärke aus, wenn sie schlag- und feuerfeste Fasern aus den Polymeren herstellen. Zum Beispiel sind Kevlar-Fasern besonders fest, weil sich alle Polymerketten während des Faserspinnens direkt nebeneinander ausrichten. Nomex hat einen leichten Knick in der Polymerkette, was bedeutet, dass sich daraus hergestellte Fasern nicht perfekt ausrichten können und daher etwas schwächer sind. Beide sind relativ feuerbeständig, aber die Stärke von Kevlar kann Kugeln stoppen. Neben kugelsicheren Westen zeigt sich Kevlar auch in Snare-Drum-Heads. Nomex wird in der Schutzausrüstung von Feuerwehrleuten verwendet.

Anwendung: Shrinky Dinks
Entwickelt in: 1839

Shrinky Dinks sind großartig. Färben Sie einige Plastikstreifen, geben Sie sie in den Ofen und schauen Sie zu, wie sie sich zusammenfalten. Es stellt sich heraus, dass diese Artikel für den Regentag aus demselben Polymer wie die Styroporbecher hergestellt werden: Polystyrol. Polystyrol, das erstmals 1931 in Deutschland vermarktet wurde (Styropor wurde erst 1954 in den USA entwickelt), ist ein sehr vielseitiges Polymer und wird jährlich in Millionen Tonnen hergestellt. Ein Shrinky Dink beginnt mit einer Styroporplatte, die nahe am Schmelzpunkt gepresst und abgeflacht wurde. Dies zwingt die Polymerketten, sich auszudehnen und auszurichten. Die Folie kühlt ab und die Polymerketten werden eingefroren (stellen Sie sich vor, Sie strecken einen Slinky aus und halten ihn fest). Wenn Sie einen Shrinky Dink in den Ofen werfen, erwärmt sich die Polymerfolie und die Polymerketten beginnen sich zu bewegen. Wenn es heiß genug ist, rollen sich alle Polymerketten wieder zusammen und lassen die Polymerfolie schrumpfen, genau wie sich ein Slinky zusammenzieht, wenn Sie loslassen. Wissenschaftler der Northwestern University nutzten diese Eigenschaft kürzlich, um nanostrukturierte Oberflächen zu erzeugen. Um Strukturen wirklich sehr, sehr nahe zusammen zu bringen, verwendeten sie das gestreckte Polystyrol und bedruckte Punkte auf der Oberfläche. Dann erhitzten sie das Blatt, das geschrumpft war, und bildeten eine sehr dichte Anordnung von Punkten.

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