Oberflächen-modifizierte Oxocluster und Kolloide

Die Kontrolle der Mikro- und Nanostruktur von Materialien ist eine der großen Herausforderungen an die Materialchemie. Ziel des Projekts ist es, den Einsatz von Oberflächenmodifizierten Oxid-Clustern oder Oxid- Partikeln für die Entwicklung neuer amorpher Materialien, speziell nano-strukturierter Materialien, zu untersuchen. Dazu sollen zum einen molekulare Cluster hergestellt werden, um Methoden zu entwickeln, strukturelle Aspekte zu klaren und die Reaktivität derartiger Systeme zu untersuchen. Weitere Ziele des Projekts sind die Korrelation zwischen diesen Modellsystemen und der Evolution der Gelstrukturen während des Sol-Gel-Prozesses, die gezielte Derivatisierung und Modifizierung der Oberfläche von Oxid-Chlustern und kolloidalen Oxid-Partikeln durch funktionelle oder nicht-funktionelle organische Gruppen, die Herstellung anorganisch-organischer Hybridmaterialien mit Hilfe der vorgefertigten modifizierten Cluster sowie die Herstellung anorganischer Partikel mit Kern-Schale Strukturen für keramische Pulver. Der Ansatz vereinigt die folgenden Vorteile: Die anorganischen Partikel sind wegen der kovalenten Anbindung in der Wirtsmatrix homogen verteilt. Dies verhindert oder erschwert ihre Aggregation. Die anorganischen Partikel haben eine einheitliche Größe, die veränderbar ist. Insbesondere können die Vorteile und Eigenschaften von Nanopartikeln genutzt werden. Das wird wichtige Konsequenzen bezüglich aller Material- und Verarbeitungseigenschaften haben, die durch eine homogene Verteilung der anorganischen Komponente oder die Partikelgröße bzw. Partikelgrößenverteilung positiv beeinflußt werden, z.B. rheologische, mechanische, optische, elektronische und katalytische Eigenschaften, Dichte und Lagerstabilität von Lösungen, Formulierungen oder Lacken. Außerdem können die Oberflächeneigenschaften und die Porosität der Materialien beeinflußt werden.

Es wurden Methoden entwickelt reaktive organische Gruppen an die Oberfläche von Metalloxid-Clustern zu binden. Die derart modifizierten Cluster wurden als nanometergroße anorganische Baugruppen definierter Größe und Gestalt für die Herstellung einer neuen Klasse an vernetzten Polymeren verwendet. Durch die Kombination der definierten anorganischen Baugruppen mit organischen Polymeren werden neue Materialeigenschaften erreicht. Die Entwicklung von Materialien mit neuen Eigenschaften oder Eigenschaftskombinationen erfordert konzeptionell neue Ansätze. Einer davon ist die Kombination von anorganischen und organischen Baugruppen auf molekularer Ebene. Die Eigenschaften die sogenannten anorganisch-organischen Hybridmaterialien werden weitgehend von Zusammensetzung, Struktur und gegenseitiger Verknüpfung der Baugruppen determiniert und hängen damit entscheidend von chemischen Parametern der Materialsynthese und der Entwicklung geeigneter molekularer Vorstufen ab. In dem Projekt wurden die chemischen Grundlagen für eine neue Klasse an Hybridmaterialien entwickelt und an ersten Beispielen die Machbarkeit des Konzepts aufgezeigt. Der neue Ansatz ist aus den molekularen anorganische Ausgangsverbindungen zuerst Clusterverbindungen - Ansammlungen über Sauerstoffatome verknüpfter Metallatome - definierter Größe und Gestalt aufzubauen und diese dann als "Fertigbauteile" bei den Materialsynthesen einzusetzen. Um die Cluster mit den organischen Komponenten des Hybridmaterials chemisch verknüpfen zu können, müssen geeignet organische Gruppen auf der Oberfläche der Cluster vorhanden sein. Es wurden Synthesen entwickelt durch die derartige oberflächenmodifizierte Cluster unterschiedlicher Größe und Gestalt jetzt zugänglich sind. Die exemplarisch synthetisierten Cluster haben kugel-, scheiben- oder stäbchenförmige Geometrien mit Dimensionen des anorganischen Clusterkerns von ca. 0.7 bis 1.8 nm; ihre Oberfläche ist mit polymerisierbaren organischen Gruppen bedeckt. Die oberflächenmodifizierten Cluster wurden mit organischen Co-Monomeren durch klassische Verfahren polymerisiert. Strukturelle Untersuchungen an den neuen Hybridpolymeren zeigten, daß die Cluster unversehrt und homogen verteilt in die Polymere eingebaut werden und die organischen Polymerstränge sehr effizient vernetzen. Ein sehr kleiner Clusteranteil genügt bereits um die Eigenschaften der Basispolymere entscheidend zu verändern. Erste Untersuchungen der Materialeigenschaften zeigten beispielsweise, daß die thermische Beständigkeit der Polymere erhöht, die Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln vermindert und die mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Bereits jetzt läßt sich absehen, daß die neuartigen Hybridpolymere interessante Materialien für Anwendungen mit speziellen Anwendungsprofilen sind.