Stabile Doppel-Gyroid Strukturen in ionisch-aliphatischen Multiblock Copolymeren

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Mecking
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525027318

Ionenleitende Polymere sind Schlüsselmaterialien für Energieanwendungen und Membrane. Als Alternative zur schnellen Kettendynamik als Grundlage eines effizienten Ionentransports, können Ionen in geeignete perkolierende aggregierte Strukturen angeordnet werden. Dies kann die Dynamik des Ionentransports von der Matrix-Dynamik entkoppeln, was nicht nur die Transportgeschwindigkeit verbessert, sondern auch gleichzeitig eine stabile strukturierte Matrix ermöglicht. Für diesen Zweck sind co-kontinuierliche Strukturen besonders interessant, der Zugang zu solchen Strukturen ist aber herausfordernd. Die Doppel-Gyroid Morphologie (DGM) besteht aus zwei sich durchdringenden Netzwerke der Minder-Komponente besteht, die zusammen mit der Matrix eine cokontinuierliche Struktur ergeben. Außer Transportraten zu verbessern, können die perkolierenden Domänen der DG Morphologien, gegenüber weniger komplexen Morphologien, auch die mechanischen Eigenschaften verbessern. Unsere Vorarbeiten haben gezeigt, dass sulfonierte Polyester mit langkettigen aliphatischen Struktureinheiten ein Phasenverhalten wie (AB)n Multiblockcopolymere aufweisen. Die gänzlich inkompatiblen polaren ionischen Segmente und unpolaren Kohlenwasserstoff-Segmente segregieren bereits bei einer Gesamtlänge zweier alternierender AB-Blöcke von nur achtzehn Kohlenstoffatomen. Überraschenderweise können solche ionisch-aliphatischen Multiblockcopolymere (IAMBCs) in der Schmelze DG Strukturen mit sub-10 nm Längenskalen annehmen. Da jedoch die aliphatischen Einheiten dieser Polymere so gewählt waren, dass sie kristallisieren, sind diese DGs bei Raumtemperatur nicht instabil. Dieses Forschungsvorhaben zielt auf DG Morphologien, welche unter normalen Umgebungsbedingungen stabil sind. Wir werden unpolare, nicht kristallisierbare Kohlenwasserstoff-Wiederholeinheiten identifizieren, welche die Mikrophasenseparation von IAMBCs in DG Morphologien bewirken. Dafür werden wir Synthesewege zu Monomeren ausarbeiten, welche eine hohe Reaktivität in Polykondensationen aufweisen und nicht-kristallisierende Wiederholeinheiten ergeben, die sich leicht an die Oberflächenkrümmung der DG Morphologie anpassen. Als komplementärer Ansatz wird auch Quervernetzung zur dauerhaften Fixierung von DG Morphologien verfolgt. Voraussetzung hierfür ist ein Verständnis des Zusammenhangs zwischen Polymerisationsgrad und Morphologie. Methodik zur Vernetzung direkt während der Polymerisation oder mittels Post-Polymerisations Vernetzung wird erarbeitet. Diese Quervernetzung wird auch die Stabilität des angestrebten Materials erhöhen, z.B. die Beständigkeit gegen Lösemittel, welche die Ionenmobilität erhöhen. Erste Einblicke in die Ionenleitfähigkeit und mechanischen Eigenschaften dieser Morphologien werden angestrebt. Das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Mikrostruktur und Morphologie dieses außergewöhnlichen Systems wird ein rationales Design neuer Materialien mit überlegener mechanischer Stabilität und Ionenleitfähigkeit befördern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen