FOR 1497: Zwillingspolymerisation von Organisch-Anorganischen Hybridmonomeren zu Nanokompositen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für neue Technologien und zukünftige Anwendungen in der Katalyse oder für die Speicherung von flüchtigen Brennstoffen werden funktionale, sowie poröse Hybridmaterialien mit hoher Präzision in Monodispersität der Nanostrukturierung gefordert. Um eine große und in molekularer, struktureller und morphologischer Hinsicht vielfältige Verfügbarkeit solcher Materialien zu gewährleisten, müssen modulare, materialwissenschaftlich orientierte Synthesekonzepte entwickelt werden. Vor dem Hintergrund dieser wissenschaftlichen Herausforderung wurde in der DFG FOR 1497/1 (mit sechs bzw. sieben Teilprojekten und einem Zentralprojekt) ein neues Synthesekonzept für Hybridmaterialien entwickelt und diese für gezielte Anwendungen (Batteriekomponente, Interphasendesign) eingesetzt. Zentrale Ziel- und Aufgabenstellung in der ersten Förderperiode war die Erforschung des Potentials für neue Materialsynthesen der in Chemnitz am Institut für Chemie entwickelten „Zwillingspolymerisation“ (Zwipo), um die Perspektiven der Methode für neue Hybridmaterialsynthesen und Anwendungen auszuloten. Ein wichtiges Teilziel in der ersten Förderperiode war die Aufklärung des Mechanismus der Zwillingspolymerisation am Beispiel von Silicium- und Titan-haltigen Zwillingsmonomeren (TP 1, TP 2 und TP 4). Es wurde außerdem das ergänzende Konzept der „Simultanen Zwillingspolymerisation“ entwickelt und erste Resultate zur Herstellung ternärer und multinärer Hybridmaterialien präsentiert (TP 5, 6 und 7). Die Ergebnisse der ersten Förderperiode zeigten zudem, dass eine große Herausforderung darin bestand, die mechanistischen Bildungswege bei der Hybridmaterialbildung in Abhängigkeit von ihrer Initiierung zu untersuchen und Modelle auf der Basis quantenmechanischer Rechnungen für die katalytisch ablaufenden Prozesse zu entwickeln. Vor allem die Vielfältigkeit der in der ersten Antragsperiode aufgedeckten synthetischen Möglichkeiten der Zwillingspolymerisation war ein wichtiger Grund für den erhöhten Bedarf an theoretischer Grundlagenforschung zum Mechanismus dieser neuen Polymerisationsmethode. Daher wurde die Zahl der Theorieprojekte um ein weiteres auf drei erweitert. TP 2 wurde in der ursprünglichen Intention nicht weitergeführt, weil der Projektleiter in das Zentralprojekt wechselte. Das Themengebiet von TP 4 wurde entsprechend dem Projektverlauf modifiziert und im neuen TP 8 von einer Nachwuchswissenschaftlerin weitergeführt und das Theorieprojekt TP 9 wurde neu eingerichtet. Das neue TP 10 in Projektleitung einer zweiten Nachwuchswissenschaftlerin hatte zur Aufgabe die Brücke von der Zwipo zu konventionellen Polymersynthesen zu schlagen und Synergien durch die Kooperation mit MERGE EXC 1075 durch Bereitstellung geeigneter Zwillingsmonomere zu schaffen. Ein weiteres Ziel der zweiten und abschließenden Phase der Forschergruppe war es, ein theoretisches Verständnis der Zwillingspolymerisationsabläufe auf molekularer und morphologischer Ebene bezogen auf Kinetik und Thermodynamik der Strukturbildung zu erlangen bzw. die bekannten Prozesse besser verstehen zu lernen (TP 1, TP 8 und TP 9). Dieses Teilziel wurde größtenteils erreicht, bei den Germanium- und Zinnverbindungen wurden sogar darüber hinaus neue Materialklassen entwickelt. Aufgrund der Personalfluktuation durch Weggang eines Projektleiters (TP 9) und Unterbrechung von zwei Projekten auf Grund von Elternzeiten (TP 8 und TP 10) konnten die mechanistischen Abläufe der basen-katalysierten Zwillingspolymerisation nicht für alle Systeme theoretisch untersucht werden. Allerdings wurden in nachfolgenden und parallelen Arbeiten im Zentralprojekt und TP 1 und TP 5 einige morphologische Aspekte der Strukturbildung theoretisch mit untersucht. Die Entwicklung neuer Materialklassen und ternärer bzw. multinärer Hybridmaterialien über die simultane Zwillingspolymerisation war das Herzstück in der DFG FG. Diese Hybridmaterialien können bezüglich ihrer molekularen Zusammensetzung, Morphologie und Gestalt je nach Verwendungszweck in weiten Bereichen maßgeschneidert werden. Das wurde in den vier synthetisch ausgerichteten Projekten (TP 5, 6, 7 und 10) klar erreicht und sehr gut in Publikationen dokumentiert. Im Zentralprojekt wurden die wissenschaftlichen Arbeiten koordiniert, die Analytik der Hybridmaterialien organisiert, neue Synthesen mit der Zwillingspolymerisation entwickelt sowie theoretische Arbeiten in der finalen Phase unterstützt. Die wissenschaftliche Ernte der DFG FG 1497 und assoziierter Projekte ist eine Monographie (342 Seiten, erschienen bei de Gruyter im Herbst 2018) über das neue Gebiet der Zwillingspolymerisation und bis jetzt ca. 60 Originalarbeiten in rezensierten internationalen Journalen neben einer Reihe von Tagungsbeiträgen und weiteren eingeladenen Beiträgen in nichtreferierten Fachzeitschriften. Die DFG FG 1497 hat sich als die tragende Säule für die Entwicklung des Gebietes der Zwillingspolymerisation in Chemnitz (Fakultät für Naturwissenschaften, Fakultät für Maschinenbau, MERGE Exzellenzcluster) und in Kooperation mit der Industrie und anderen Institutionen (BASF AG Ludwigshafen, BASF AG Lemförde, Groschopp AG Viersen, IPF Dresden, IFAM Bremen und Innovent Jena eV) erwiesen. Für Doktoranden, Diplomanden, Masteranden, Bacheloranden und Mitarbeiter, angestellt in anderen bewilligten Projekten im DFG Normalverfahren (Zwillingspolymerisation an Oberflächen, Polyaminosäureund Polyamid-Nanokomposite über gekoppelte Reaktionen) und aus anderen Arbeitsgruppen, war die DFG FG 1497 die angemessene Plattform für gemeinsame Seminarveranstaltungen und Vorträge im Rahmen der Zwillingspolymerisationsforschung, koordiniert im ZP, an dessen Veranstaltungen alle Wissenschaftler und Studierenden teilnehmen und aktiv mitwirken konnten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Twin Polymerization: New Strategy for Hybrid Materials Synthesis. Berlin, De Gruyter; 2018, 342 Seiten, ISBN: 978-3-11-049936-0
Spange, Stefan/Mehring, Michael (eds.)
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/9783110499360)
