Igor Erukhimovich vom Physics Department der Moscow State University zu Besuch am Institut für Physik
01.07.2003
Prof. Dr. Igor Erukhimovich vom Physics Department der Moscow State University in Russland ist einer der international profilierten Wissenschaftler auf dem Gebiet der theoretischen Polymerphysik und seit dem 1. Juli zu Gast an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Er wird als Forschungspreisträger der Alexander von Humboldt-Stiftung seine Arbeiten am Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)fortsetzen und damit die Spitzenforschung auf dem Campus bereichern.
Nicht nur Kunststoffe sind aus Polymeren aufgebaut, sondern auch alle Lebewesen bestehen aus diesen Makromolekülen, die typischerweise als lineare Ketten, manchmal aber auch mit verzweigter Architektur aus einigen hundert bis einigen hunderttausend Wiederholungseinheiten – das sind kleine Molküle, sogenannte "Monomere" – aufgebaut sind. Erst 50 Jahre ist es her, dass Prof. Dr. Hermann Staudinger aus Freiburg für die Einführung des Konzepts, dass es solche Makromoleküle gibt, den Chemie-Nobelpreis erhalten hat. Es war zunächst eine revolutionäre Entdeckung, und viele bezweifelten, dass solche Makromoleküle existieren können.
Die Arbeiten von Professor Erukhimovich handeln davon, was passiert, wenn man chemisch verschiedene Makromoleküle in der Lösung beziehungsweise Schmelze mischt: Bleiben sie beisammen? Oder kommt es zur Entmischung, und wenn ja, wie lässt sich der zeitliche Ablauf eines solchen Prozesses verstehen? "Solche Fragen zur Mischbarkeit von Polymeren sind nicht nur ein spannendes Forschungsthema, sondern auch praktisch wichtig vom Standpunkt der Materialforschung in der Chemie-Industrie", erläutert Prof. Dr. Kurt Binder vom Institut für Physik, auf dessen Antrag der Humboldt-Forschungspreis an Erukhimovich vergeben wurde. "So wie man Metall-Legierungen zur Verbesserung ihrer Eigenschaften herstellt, so möchte man auch die Eigenschaften von Kunststoffen durch Mischung verschiedener Substanzen verbessern", führt Binder aus. "Das geht aber nur, wenn sie sich nicht zu stark entmischen." Bei Metallen verbessern sich typischerweise die mechanischen Eigenschaften: Ein Löffel aus hochreinem Silber wäre viel zu weich und nach Gebrauch schnell verbogen und zerkratzt, während ein Silberlöffel mit genügend Kupferbeimengungen wesentlich bessere Eigenschaften hat. Auch bei den Polymermischungen geht es um mechanische Festigkeiten im festen Zustand, aber auch um andere Eigenschaften wie zum Beispiel Korrosionsbeständigkeit.
Außer mit Polymermischungen hat sich Professor Erukhimovich sehr intensiv mit Strukturbildung bei den sogenannten Block-Copolymeren beschäftigt. Das sind Polymere, bei denen an einer Kette vom chemischen Typ "A" (zum Beispiel Polystyrol) an einem Ende eine Kette vom Typ "B" (zum Beispiel Polyisopren) durch eine chemische Bindung "angehängt" wird. Solche Polymere können sich niemals trennen, sie sind gewissenmaßen auf ewig miteinander "verheiratet". Damit sich die Monomere der beiden Sorten dann doch so weit wie möglich aus dem Weg gehen können, kommt es zur Ausbildung der sogenannten "Mesophasen". Dabei handelt es sich um periodische Strukturen auf einer "mesoskopischen" Skala, also zwischen der atomaren Skala, nämlich 10 bis 6 Millimeter beziehungsweise einem Millionstel Millimeter oder darunter, und der makroskopischen Skala bis zu einem Millimeter. Zum Beispiel entstehen lamellare Schichtstrukturen, bei denen sich A-reiche Schichten und B-reiche Schichten alternierend abwechseln, und die Dicke dieser Schichten ist etwa ein Zehntausendstel Millimeter. "Professor Erukhimovich hat zu den theoretischen Konzepten einer solchen Strukturbildung viel beigetragen", so Prof. Binder, "insbesondere auch zu Fragen, wie sich chemische Unordnung in der Zusammensetzung der Polymerketten auswirkt, und was passiert, wenn man nicht bloß zwei verschiedene Blöcke hat, sondern drei oder noch mehr."
Eine weitere wichtige Phasenumwandlung von Polymeren, die der russische Physiker theoretisch untersucht hat, ist die "Gelierung" von verzweigten Polymeren. In der "Sol"-Phase hat man schon verzweigte Polymere, aber diese sind nur von beschränkter Größe, insgesamt ist das Material flüssig. Findet jetzt aber eine chemische Reaktion statt, mit der sich mehr und mehr Verzweigungspunkte bilden, werden vorher getrennte Makromoleküle immer mehr miteinander verbunden. Es gibt einen kritischen Punkt – den Gelpunkt – bei dem ein Polymernetzwerk – das Gel – entsteht, das von einem Ende des Materials zum anderen reicht. Das Material bleibt zwar unter Umständen gummiartig weich, ist aber nicht mehr fließfähig, gehört also zur Klasse der Festkörper. "Wer sich morgens zum Frühstück ein Ei hart kocht, führt einen solchen Sol-Gel-Übergang in der Küche durch", erklärt Binder. "Auf atomarer Skala sind aber bei solchen Vorgängen noch viele interessante Fragen offen, und Professor Erukhimovich hat zur Klärung von derartigen Fragen viel beigetragen." In Mainz wird er, in enger Wechselwirkung mit der Arbeitsgruppe für Theorie kondensierter Materie am Institut für Physik, aber auch mit Gruppen im Fachbereich Chemie und dem MPI für Polymerforschung, seine Untersuchungen zu all diesen Fragen fortsetzen.