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Europäischer Erfinderpreis

Ludwik Leibler (Frankreich)

Gewinner des Europäischen Erfinderpreises 2015 in der Kategorie Forschung

Ludwik Leibler

Video:

Kategorie: Forschung

Sektor: Werkstofftechnik/Polymere

Unternehmen: Arkema Frankreich und CNRS

Patentnummer: EP1465930

Erfindung: Vitrimere - eine neue Klasse von Polymeren

Dank der Erfindung des in Polen geborenen französischen Physikers Ludwik Leibler umweht die Werkstofftechnik nun ein Hauch von Science-Fiction. Leibler und sein Team aus dem Laboratoire Matière Molle et Chimie an der ESPCI ParisTech haben eine neue Klasse von Kunststoffen entwickelt: Vitrimere. Diese sind äußerst stabil, gleichzeitig aber auch formbar.

MaterialIndem Vitrimere bei Temperaturänderungen von einer festen Form in eine geschmeidige und biegsame Konsistenz übergehen, bieten sie völlig neue Anwendungsmöglichkeiten: von selbstheilenden Kunststoffen, die sich selbst reparieren, bis hin zu einem potenziellen künftigen Einsatz in der Chirurgie und der restaurativen Medizin.

Leibler und sein Team, zu dem auch die Fachkollegen François-Genes Tournilhac und Corinne Soulié-Ziakovic gehören, schafften den Durchbruch, als sie die Eigenschaften zweier Materialklassen miteinander kombinierten und so einen "supramolekularen" Werkstoff erhielten. Vitrimere bestehen aus molekularen Netzen, deren Bindungen nicht starr oder dauerhaft sind, sondern in einem dynamischen Gleichgewicht vorliegen: Einige lösen sich auf, während an anderer Stelle neue intramolekulare Bindungen entstehen. Daher haben Vitrimere Ähnlichkeit mit Duroplasten (Kunststoffe, die in Form gepresst und nach der Aushärtung nicht mehr verformt werden können), besitzen aber auch glasähnliche Eigenschaften, da sie bei Hitze geformt und geschweißt werden können.

Gesellschaftlicher Nutzen

In der Konsumgüterindustrie könnten Vitrimere bewirken, dass kaputte Kunststoffprodukte nicht so schnell auf dem Müll landen, denn sie wären einfach zu reparieren. Manche Kunststoffe brauchen Jahrhunderte, um zu verrotten. Zudem besteht aktuell 90 % des Mülls, der auf den Weltmeeren treibt, aus Plastik; eine Million Meerestiere verenden jährlich daran. Dank Vitrimeren könnten selbstreparierende Kunststoffe den Müll und die damit verbundenen Umweltbelastungen deutlich verringern, und die Verbraucher müssten kein Geld für Ersatzprodukte ausgeben.

Zu den medizinischen Anwendungsbereichen von Vitrimeren gehören Nanogele auf Wasserbasis, die "Nanobrücken" zwischen biologischen Geweben herstellen. Mit anderen Worten: Die flexiblen molekularen Eigenschaften von Vitrimeren können auf dynamische Weise die Wundränder offener Wunden verbinden, indem sie einen "organischen Klebstoff" bilden. Damit lassen sich z. B. Wunden schließen, die nicht genäht werden können.

Wirtschaftlicher Nutzen

Selbstheilende und thermoreversible Materialien auf der Basis von Vitrimeren könnten ganze Industriezweige revolutionieren, darunter z. B. die Herstellung von Surfbrettern und Flugzeugbauteilen aus Epoxid. Der weltweilte Markt für Epoxide und Härter hatte 2014 einen Wert von 6 Mrd. EUR, der bis 2019 mit einer jährlichen Wachstumsrate von 6,3 % voraussichtlich auf 8,24 Mrd. EUR ansteigen wird.

Wenn herkömmliches Epoxid einmal in Form gebracht wurde, lässt es sich nicht mehr schmelzen oder lösen. Alte Surfbretter können also nicht recycelt werden und landen Jahr für Jahr zu Tausenden auf dem Müll. Die Agentur SurfScience schätzt, dass jährlich 750 000 neue Surfbretter produziert werden, wobei rund 220 000 Tonnen CO2 entstehen. Ein "selbstreparierendes" Surfbrett aus Epoxid mit Vitrimeren könnte das Produktionsvolumen verringern, da die Lebensdauer der bestehenden Surfbretter deutlich länger wäre.

  • Ludwik Leibler

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Funktionsweise

Auf molekularer Ebene zeichnen sich Vitrimere durch die seltene Eigenschaft aus, in fluider Form die Molekularbindungen zu verändern, ohne dabei zu irgendeiner Zeit die Gesamtzahl der Bindungen zu verringern (keine Nettominderung der Festigkeit insgesamt). Bei herkömmlichen Materialien aus Duroplast werden gebrochene Bindungen nicht ersetzt, wodurch das Material zunehmend instabiler und brüchig wird. Bei Vitrimeren hingegen werden die Molekularbindungen neu organisiert, ohne dass die Form oder Integrität des Produkts beeinträchtigt wird.

Bei Vitrimeren bleibt die Zahl der aktiven Molekularbindungen konstant, während sich ihre Organisation innerhalb des Netzwerks frei verändert. Solche Änderungen des molekularen Netzwerks können durch Hitze aktiviert werden, um so bei Bedarf neue Bindungen herzustellen. Das führt dazu, dass das Material formbar wird und wie Glas geschweißt werden kann.

Der Erfinder

Nach seiner Promotion in theoretischer Physik an der Universität Warschau im Jahr 1976 war Leibler ein Jahr lang als Forschungsstipendiat am Collège de France in Paris tätig. Bis 2003 leitete er ein von ihm gegründetes gemeinsames Labor des CNRS und des Chemiekonzerns Elf Atochem (heute: Arkema).

Leibler ist international als Experte für Polymere und supramolekulare Chemie anerkannt und hat bisher 47 Patente angemeldet sowie 169 wissenschaftliche Artikel veröffentlicht. Aktuell ist er Forschungsdirektor beim CNRS und Mitglied der Akademie der Wissenschaften. Er hat eine neue Klasse von "selbstvernarbendem Gummi" erfunden und wird bei verschiedenen Projekten als Berater für den Einsatz von Vitrimeren in Wissenschaft und Medizin herangezogen.

Wussten Sie das?

Haben Sie schon einmal eine wässrige Lösung gesehen, mit der wie in Science-Fiction-Filmen Blutungen gestoppt und Wunden mal eben geheilt werden können? Dank der von Ludwik Leibler und seinem Team entwickelten Technologie könnte dies nun Wirklichkeit werden. Vitrimere verbessern, wenn sie Hydrogelen in Form von Nanopartikeln beigemischt werden, die Klebefähigkeit zwischen Stoffen und Oberflächen, die normalerweise nicht zusammengefügt werden können.

2014 gelang es Leiblers Team schon, mit einer wässrigen Lösung von Nanopartikeln zwei Gewebe in vivo zu reparieren. Besonders interessant ist diese Technologie für Organe, die sich nur schwer nähen lassen, weil sie beim Durchführen der Nadel rupturieren könnten.