Notizen

<h2>Drittmittel in Österreich</h2>
Der österreichische Wissenschaftsfonds (Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung, FWF) erhielt 211,4 Mio. Euro im Jahr 2014. Damit förderte er 3973 Forscher, von denen die meisten zwischen 27 und 31 Jahren alt waren. In der Grundlagenforschung bewilligte das FWF-Auswahlgremium 20,9 % der 2432 Anträge. Bis zum Jahr 2020 sinken die Summen, die dem FWF zur Verfügung stehen. Im Vergleich hierzu vergab die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Jahr 2014 Fördermittel in Höhe von 2,76 Mrd. Euro.
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<h2>Kein Vertrag zwischen Elsevier und der Universität Leipzig</h2>
Die Universität Leipzig hat die Lizenzverhandlungen mit dem Wissenschaftsverlag Elsevier abgebrochen. Der Verlag verlangte im Vergleich zum Vorjahr einen höheren Preis für ein geringeres Angebot. Mitarbeiter und Studenten der Universität gelangen nun über den Dokumentlieferdienst Subito an Artikel aus Elsevier-Zeitschriften. Die Rektorin der Universtität Leipzig, Beate Schücking, befürwortet derweil das Modell der nationalen Lizenzen, das die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert.
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<h2>Polytechnik-Preis</h2>
Bis zum 31. Juli können sich Wissenschaftler und Pädagogen für den Preis der Polytechnischen Gesellschaft bewerben. Er ist mit 70 000 Euro dotiert und richtet sich an Lehrkräfte in außerschulischen Einrichtungen, die Kindern und Jugendlichen Naturwissenschaften vermitteln.
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<h2>Neues Webportal Naturwissenschaften Schweiz</h2>
In der Schweiz gibt es ein neues Webportal für Naturwissenschaften. Es bündelt Informationen wie Veranstaltungen, Publikationen und Freizeitangebote naturwissenschaftlicher Organisationen. Betreiber ist die Akademie der Naturwissenschaften Schweiz.
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<h2>Empfehlungen Bachelor-Studium</h2>
Die GDCh will eine einheitliche Qualität des Bachelorstudiums Chemie erreichen. Dazu sind neue Empfehlungen der GDCh-Studienkommission erschienen [diese Nachr. S. 732]. Sie katalogisieren Inhalte und Ziele des Studiums in organische, anorganische und physikochemische sowie praktische Kentnisse. Dennoch sollen die Universitäten eigene Schwerpunkte setzen.
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<h2>E-Books für Studenten</h2>
Die Universitätsbibliotheken dürfen alle Bücher zum Download und Ausdruck bereitstellen. Das entschied der Bundesgerichtshof im April mit einer Einschränkung: Es darf nur so viele E-Book-Versionen geben wie gedruckte Exemplare in der Bibliothek vorliegen. Seit 2009 bestand ein Rechtsstreit zwischen der TU Darmstadt und dem Verlag Eugen Ulmer. Die Universität hatte Bücher digitalisiert, ohne eine E-Book-Lizenz zu besitzen.
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<h2>Preis für Hochschullehre</h2>
Dozenten können sich bis zum 10. Juli für den Ars-legendi-Preis bewerben. Er ist mit 50 000 Euro dotiert. Der Preisträger muss an einer deutschen Hochschule unterrichten, digitale Medien einsetzen und Ratschläge von Studenten annehmen. Der Stifterverband und die Hochschulrektorenkonferenz verleihen den Preis zum zehnten Mal.
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<h2>Bauer gewinnt DHV-Ministerranking</h2>
Theresia Bauer, Ministerin für Wissenschaft, Forschung und Kunst in Baden-Württemberg, erhielt die beste Bewertung im Ministerranking des Deutschen Hochschulverbands (DHV). Die “Wissenschaftsministerin des Jahres 2015” habe sich gut durchgesetzt, sei engagiert und kompetent. Johanna Wanka, Bundesministerin für Bildung und Forschung, wechselte von ihrer Spitzenposition auf Platz zwei. Wie im letzten Jahr erhielt die schlechteste Note Sachsen-Anhalts Minister Hartmut Möllring. Insgesamt fiel die Bewertung noch nie so negativ aus. Den Grund vermutet der DHV darin, dass sich die Minister zu wenig für Wissenschaft interessieren und nicht genug über den Universitätsbetrieb wissen. SR
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Stefanie Romund, Johanna Schirmer Frankfurt am Main

Forschung und Bildung

Drittmittel in Österreich Der österreichische Wissenschaftsfonds (Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung, FWF) erhielt 211,4 Mio. Euro im Jahr 2014. Damit förderte er 3973 Forscher, von denen die meisten zwischen 27 und 31 Jahren alt waren. In der Grundlagenforschung bewilligte das...

Magazin

Naturkautschuk ist ein nachwachsender Rohstoff, von dem jährlich 10 Mio. Tonnen aus Kautschukbäumen gezapft werden. Vor 170 Jahren erfand der US-amerikanische Chemiker Charles Goodyear die Vulkanisation, also die chemische Vernetzung, die aus dem klebrigen Rohkautschuk Gummi und damit einen brauchbaren Werkstoff macht. Je nach Vernetzungsgrad sind die Eigenschaften des Naturkautschuks in weiten Grenzen variabel. Dies führte zu vielen Produkten, unter denen Autoreifen den größten Anteil haben (Abbildung 1).
Trotz zahlreicher Anstrengungen ist es bisher nicht gelungen, Naturkautschuk durch Industriekautschuk zu ersetzen. Dies liegt unter anderem daran, dass es kein anderes Elastomer gibt, das Dehnbarkeiten von bis zu mehreren 100 Prozent mit beispiellos hohen Zerreißfestigkeiten von bis zu 30 MPa kombiniert.1 Ursache hierfür — wie bereits seit den 1930er Jahren bekannt — ist die dehnungsinduzierte Kristallisation.2 Gummi liegt nämlich bei Raumtemperatur vollständig amorph vor und bildet erst beim Dehnen Kristalle, die dann zur Eigenverstärkung des Gummis führen. Entspannt sich der Gummi wieder, verschwinden die Kristalle, und er kehrt in seine amorphe, nachgiebige Ausgangsform zurück. In den letzten 80 Jahren gab es viele und umfangreiche Studien zu Keimbildung und Wachstum der Kristalle beim Dehnen.3—7 Umso überraschender ist es, dass ein so lange bekanntes und tiefgründig untersuchtes Material heute noch mit neuen und unerwarteten Eigenschaften fasziniert.
Der Entdeckung dieser neuen Eigenschaften ging die Suche nach einem möglichst stark dehnbaren Elastomer voraus. Ziel waren selbstorganisierte Oberflächenrippel.8—10 Um Dehnbarkeiten an die 1000 Prozent zu erreichen, wurde Naturkautschuk weit unterhalb der üblichen 1 bis 2 Prozent vernetzt (die prozentuale Angabe bezieht sich auf die vernetzten Wiederholungseinheiten). Das entstandene Polymernetzwerk zeigte allerdings kein gummiartiges Verhalten — es leierte beim Dehnen aus. Zunächst wurde angenommen, dass das Material aufgrund einer nicht ausreichenden Vernetzung fließt. Überraschenderweise zog es sich unter Handwärme wieder vollständig zusammen. Damit zeigt niedrigvernetzter Naturkautschuk die typischen Eigenschaften eines Formgedächtnispolymers. Zudem wurde erkannt, dass es in gering vernetztem Naturkautschuk gerade die Konstellation aus metastabilen Kristallen und einer stark gestressten amorphen Matrix ist, welche weitere verblüffende Eigenschaften zur Folge hat.
Der extrem niedrig vernetzte Naturkautschuk ist damit kein klassischer Gummi, sondern ein Smart Material, das in vielfältiger Weise auf seine Umgebung reagiert und sich an diese anpasst.11,12


<h2>Formgedächtniseffekt von Naturkautschuk</h2>
Formgedächtnispolymere müssen üblicherweise zur Programmierung — also zur Verformung von der permanenten in eine temporäre Form — über eine bestimmte Temperatur, die Triggertemperatur TTrig, erhitzt werden. So wird beispielsweise Formgedächtnispolyethylen (strahlenvernetztes PE), aus dem Schrumpfschläuche hergestellt werden, bei über 120 °C programmiert. Die temporäre Form wird anschließend durch Abkühlen auf unterhalb von TTrig fixiert.
Formgedächtnis-Naturkautschuk ist das einzige Formgedächtnispolymer, das sich ohne jegliche Wärmebehandlung durch einfaches Dehnen bei Raumtemperatur kaltprogrammieren lässt. Die Ursache ist, dass Naturkautschuk bei Raumtemperatur im entspannten Zustand immer vollständig amorph vorliegt und nur unter Dehnung kristallisiert.
Dass dieses altbekannte Material erst so spät als Formgedächtnispolymer entdeckt wurde, liegt vermutlich an den bislang üblicherweise hoch gewählten Vernetzungsgraden von über 1 Prozent. Erst durch die zufällige Vernetzung auf der Grenze zwischen Thermoplast und Elastomer bildeten sich unter Dehnung Kristalle, die bei Raumtemperatur genügend stabil sind, um das Netzwerk in dem beobachteten Zustand großer Dehnung zu stabilisieren. Genauere Untersuchungen ergaben, dass der kritische Vernetzungsgrad, unterhalb dessen der Formgedächtniseffekt bei Raumtemperatur auftritt, bei etwa 0,4 Prozent liegt. Die Triggertemperatur ist dabei im Gegensatz zu anderen Formgedächtnispolymeren keine materialbedingte Konstante. Sie hängt einerseits von der Topologie des Netzwerks ab, also von dessen Vernetzungsgrad und der Verteilung der Vernetzungspunkte. Andererseits, und damit viel interessanter, lässt sich die Triggertemperatur eines Formgedächtnis-Naturkautschuks über die Dehnrate und -temperatur während der Programmierung in weiten Grenzen von —25 bis 45 °C beeinflussen. Damit ist Formgedächtnis-Naturkautschuk eines von wenigen Formgedächtnispolymeren mit variabler Triggertemperatur.13
Neben diesen einzigartigen Eigenschaften speichert Formgedächtnis-Naturkautschuk auch extrem große Dehnungen von 1000 Prozent und Dehnungsarbeiten von bis zu 4,88 J·g—1. Die bisher beobachtete Energiespeicherfähigkeit von Formgedächtnispolymeren beträgt maximal 1 J·g—1, womit sie immer noch deutlich über der von Federstahl (0,1 J·g—1) liegt.14
 Nach einmaliger Konditionierung kehrt es zudem über mindestens zehn Zyklen hinweg immer wieder vollständig in seine permanente Ausgangsform zurück.15 Da sich beim schlagartigen Wiederherstellen der permanenten Form das Material um bis zu 20 Kelvin unter Umgebungstemperatur abkühlt, ist neben Dehnung und mechanischer Arbeit sogar Kälte zeitlich unbegrenzt speicherbar.11 Eine weitere Kenngröße des kaltprogrammierten Formgedächtnis-Naturkautschuks ist sein nahezu diskreter Triggerprozess: Die Triggerung erfolgt in einem Temperaturbereich von weniger als einem Kelvin, während andere Formgedächtnismaterialien üblicherweise im Bereich von mehr als 10 K triggern.16
Darüber hinaus muss Formgedächtnis-Naturkautschuk nicht zwingend über TTrig erwärmt werden, um die gespeicherte Dehnung, Arbeit und Kälte abzurufen. Es gibt auch athermische Triggeroptionen.


<h2>Athermische Triggerung von Formgedächtnis-Naturkautschuk</h2>
Formgedächtnis-Naturkautschuk lässt sich athermisch unter anderem durch eine mechanische Spannung senkrecht zur Programmierrichtung triggern. Bei diesem als spannungsinduziertes Schmelzen bezeichneten Phänomen verringert sich die Triggertemperatur der Probe mit wachsender Spannung, bis die Umgebungstemperatur unterschritten wird und sich der Kautschuk spontan entspannt und wieder seine permanente Form einnimmt.17 Übt man dagegen mechanische Spannung parallel zur ursprünglichen Programmierrichtung aus, erhöht sich die Triggertemperatur, weshalb dieser Effekt als spannungsinduzierte Stabilisierung bezeichnet wird.18 Eine entsprechend der Parameterwahl während der Programmierung eingestellte Triggertemperatur lässt sich somit auch noch nachträglich durch externe mechanische Spannung beeinflussen (Abbildung 2).
Wie von anderen Formgedächtnispolymeren bekannt, eignen sich auch bei Naturkautschuk Lösungsmittel zum Triggern. Bei konventionellen Formgedächtnispolymeren ist der Triggerprozess üblicherweise diffusionsbedingt eher langwierig, die Triggerung erfolgt über Stunden bis Tage. Im Gegensatz dazu triggert Formgedächtnis-Naturkautschuk spontan bei Kontakt zu affinen Lösungsmitteln. Bereits Lösungsmitteldämpfe reichen zur vollständigen Triggerung innerhalb weniger Sekunden aus: Es genügt, eine programmierte Probe in die Nähe beispielsweise einer geöffneten Toluolflasche zu bringen.


<h2>Lösungsmittelsensorik mit Formgedächtnis-Naturkautschuk</h2>
Das Triggerverhalten in Abhängigkeit von der Art und Konzentration chemische Dämpfe zeigt ein ungewöhnliches Experiment: Programmierter Formgedächtnis-Naturkautschuk wurde spannungsfrei fixiert und dann Lösungsmitteldämpfen ausgesetzt. Beim Messen der sich aufbauenden Spannung stellte sich heraus, dass sich Formgedächtnis-Naturkautschuk im eingespannten Zustand zur quantitativen Lösungsmitteldetektion eignet, denn die Spannung ist proportional zum Partialdampfdruck eines Lösungsmittels. Entfernt man den Dampf, sinkt die Spannung wieder, jedoch nicht auf Null.
Die Restspannung ist proportional zum größten Lösungsmittelpartialdruck, dem der Formgedächtnis-Naturkautschuk ausgesetzt war. Das Kautschuknetzwerk erinnert sich also an diese maximale Lösungsmitteldampfkonzentration (Abbildung 3).19—21 Zudem lässt sich der irreversible Anteil der Spannungsantwort — die Restspannung nach dem Entfernen des Lösungsmitteldampfs — durch Erwärmen der eingespannten Probe auf eine Temperatur von 80 °C zurücksetzen. Die Lösungsmittel-Historie wird somit gelöscht. Damit verhält sich Formgedächtnis-Naturkautschuk analog zu dem aus der Elektronik bekannten Eprom-Speicherbauteil (erasable and programmable read only memory). Formgedächtnis-Naturkautschuk eignet sich folglich nicht nur dazu, aktuell herrschende Lösungsmitteldampf-Konzentrationen zu messen, sondern speichert deren Maximalwerte auch so lange, bis diese übertroffen oder thermisch gelöscht werden.
Entspannt man nach dem Entfernen des Lösungsmitteldampfs eine solche Probe, so ist diese nicht vollständig getriggert, sondern immer noch im Zustand relativ großer Dehnung stabilisiert. Besonders interessant ist dabei, dass die Triggertemperatur dieser Probe in der Regel deutlich höher ist als die der ursprünglich programmierten, lösungsmittelunbehandelten Probe. Folglich sind Lösungsmitteldämpfe offensichtlich auch dazu einsetzbar, um eine bereits programmierte Triggertemperatur ohne Neuprogrammierung signifikant zu verändern.22,23 Durch eine solche Lösungsmittelbehandlung lassen sich sogar Naturkautschuk-Vulkanisate mit Vernetzungsgraden oberhalb von 0,4 Prozent programmieren, die über konventionelle Kalt- oder Heißprogrammierung keinen Formgedächtniseffekt bei Raumtemperatur aufweisen würden.16


<h2>Fazit</h2>
Auch wenn das Phänomen des Formgedächtnisses von Naturkautschuk bislang nicht grundlegend aufzuklären war, so ist doch sicher, dass die entdeckten Effekte mit dessen geringer Vernetzung nahe der Grenze zwischen thermoplastischem und elastomerem Verhalten zusammenhängen.
Die am Beispiel von Naturkautschuk gewonnen Erfahrungen halfen bereits, das Eigenschaftsprofil klassischer Polymere wie Polyethylen und Polypropylen deutlich zu erweitern.24—26


<h2>QUERGELESEN</h2>
Niedrig vernetzter Naturkautschuk ist kein klassischer Gummi, sondern ein Smart Material mit einem Formgedächtnis.
Formgedächtnis-Naturkautschuk ist das einzige Formgedächtnispolymer, das sich ohne jegliche Wärmebehandlung durch einfaches Dehnen bei Raumtemperatur programmieren lässt.
Formgedächtnis-Naturkautschuk lässt sich auch athermisch durch eine mechanische Spannung oder durch Lösungsmitteldämpfe triggern.


Frank Katzenberg ist Gruppenleiter für Polymerphysik am Lehrstuhl von Jörg Tiller an der TU Dortmund. Er studierte Physik in Dortmund und promovierte dort. Nach einem Aufenthalt als Ressourcenleiter für Dünnfilmtechnik am Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik kehrte er 2001 an die TU Dortmund zurück. <a href="mailto:frank.katzenberg@tu-dortmund.de">frank.katzenberg@tu-dortmund.de</a>
Jörg C. Tiller ist seit dem Jahr 2007 Lehrstuhlinhaber für Biomaterialien &amp; Polymerwissenschaften an der TU Dortmund. Er studierte in Jena Chemie und promovierte dort. Nach einem Postdocaufenthalt am Massachusetts Institute of Technology, USA, habilitierte er sich in Freiburg. Neben den Smart Materials gilt sein Interesse der Biokatalyse und antimikrobiellen Systemen. <a href="mailto:joerg.tiller@tu-dortmund.de">joerg.tiller@tu-dortmund.de</a>



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