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Supramolekularer Hochleistungsklebstoff Kronen-Molekül bietet Klebkraft für extreme Temperaturen

Quelle: Pressemitteilung Gesellschaft Deutsche Chemiker (GDCh)

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Kleben in einem Temperaturbereich von flüssigem Stickstoff bis Backofentemperatur – das schafft ein neuer Super-Klebstoff von chinesischen Forschern. Mithilfe einer starken Wechselwirkung zwischen den Klebe-Molekülen erzielten die Wissenschaftler die außergewöhnliche Haftkraft, die z. B. für Anwendungen in der Raumfahrt relevant ist.

Ein neuer Superkleber hält bei Temperaturen von etwa +/- 200 °C.
Ein neuer Superkleber hält bei Temperaturen von etwa +/- 200 °C.
(Bild: Wiley-VCH, Angewandte Chemie, DOI: 10.1002/ange.202207425)

Beijing/China – Ein Standard-Klebstoff besteht aus Molekülen, die sich nach dem Auftragen vernetzen und so aushärten. Indem sie die Lücken zwischen den zu klebenden Teilen füllen, halten sie die beiden Stücke zusammen (Adhäsion). Etwas anders funktionieren so genannte supramolekulare Klebstoffe. Hier erfolgt die Haftkraft nicht durch Quervernetzung der molekularen Komponenten. Vielmehr lagern sich die Moleküle beim Aushärten des Klebers passgenau zusammen – eben zu einer übergeordneten, supramolekularen Struktur.

Forscher interessieren sich für solche supramolekularen Systeme, weil sich die Ausgangsstoffe prinzipiell wiedergewinnen lassen und das chemische Verhalten der Komponenten gut einstellbar ist. Andererseits sind die Klebeleistungen solcher Kleber bislang eher durchwachsen und können je nach Umweltbedingungen stark schwanken.

Moleküle wie zusammengeschweißt

Nun haben Forscher um Kai Liu von der chinesischen Tsinghua-Universität einen neuen supramolekularen Hochleistungsklebstoff aus zwei Komponenten entwickelt. Eine davon ist ein kleines Protein, das in Bakterien biotechnologisch hergestellt werden kann. Die andere Komponente ist ein so genannter Kronenether – ein ringförmiges Molekül, das ein Gastmolekül „einpacken“ kann. Kronenether umfassen ein passendes Molekül ähnlich wie eine Krone einen Kopf, daher der Name.

Eine solche enge Interaktion beobachteten die Forscher mit ihrem System: Gaben sie Kronenether und Protein zusammen und erwärmten die Lösung, verankerte sich der Kronenether auf der Proteinoberfläche. Wie das Team beobachtete, zogen sich Protein und Kronenether durch die entgegengesetzte Ladung und molekulare Wechselwirkungen so stark an, dass eine neue, verzahnte Struktur entstand. Der Kronenether „schweißte“ die Proteine aneinander.

Kleber widersteht Hitze und Kälte

Ergebnis der Mischungsversuche war eine außerordentlich starke Haftwirkung. Miteinander verklebte Stahlplatten hielten hohe Scherkräfte aus, nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch in flüssigem Stickstoff (-196 °C) und bei 200 °C. Der Klebstoff funktionierte mit verschiedenen Materialien und auch unter Wasser. Eine solche Bandbreite an Bedingungen erreichen selbst Spezialklebstoffe kaum – für supramolekulare Klebstoffe sind sie den Studienautoren zufolge ein Rekord. Die Komponenten konnten zudem wieder aufbereitet werden. Der recycelte und neu ausgehärtete Kleber büßte kaum an Leistungsfähigkeit ein.

Was den Klebstoff so stark macht

Als Grund für die außerordentliche Haftwirkung insbesondere bei niedrigen Temperaturen machten die Forscher die spezifischen supramolekularen Wechselwirkungen aus. Die enge Verzahnung treibe das gebundene Wasser aus dem Protein heraus, vermuten sie. Dadurch könnten sich – wie bei einem Frostschutzmittel – beim Einfrieren keine Eiskristalle bilden, die in vielen konventionellen Klebern zur vorzeitigen Rissbildung und zum Versagen der Klebkraft führen.

Mögliche Anwendungsgebiete sind laut den Forschern Spezialfertigungen, bei denen große Unterschiede in den Bedingungen überwunden werden müssen, z. B. die enormen Temperaturunterschiede in der Raumfahrt.

Originalpublikation: Kelu Zhao, Dr. Yawei Liu, Yubin Ren, Bo Li, Dr. Jingjing Li, Dr. Fan Wang, Dr. Chao Ma, Prof. Dr. Fangfu Ye, Dr. Jing Sun, Prof. Dr. Hongjie Zhang, Prof. Dr. Kai Liu: Molecular Engineered Crown-Ether-Protein with Strong Adhesion over a Wide Temperature Range from −196 to 200 °C, First published: 21 June 2022; DOI: 10.1002/ange.202207425

(ID:48504329)

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