Flasche Panorama

Lebensdauer von Kunststoffen vorhersagen

Ein nachhaltiger Ressourceneinsatz kann durch einen ausgewogenen Produktlebenszyklus erzielt werden. Dabei ist es entscheidend, Lebensdauer und Langzeitverhalten der Materialien zu kennen. Die Biomaterialforschung in Teltow hat eine Methode geschaffen, das Langzeitverhalten von Kunststoffen durch schnelle Untersuchungen an ultradünnen Schichten in Kombination mit computerunterstützten Modellen vorherzusagen. So können zum Beispiel Abbauverhalten und -dauer von Bioplastik innerhalb weniger Stunden – anstelle von Monaten oder Jahren – ermittelt werden.

360° Wissenschaft: Lebensdauer von Kunststoffen vorhersagen

Hinweis für das Betriebssystem iOS: Für ein freies Umsehen nutzen Sie bitte den folgenden Link zum Video auf Youtube: https://youtu.be/gUXFf-xqk7A

Ein nachhaltiger Ressourceneinsatz kann durch einen ausgewogenen Produktlebenszyklus erzielt werden. Dabei ist es entscheidend, Lebensdauer und Langzeitverhalten der Materialien zu kennen. Einerseits können Kunststoffprodukte zum Teil Jahrzehnte lang genutzt werden, andererseits birgt diese Stabilität für die Umwelt Herausforderungen.

Die Biomaterialforschung in Teltow hat eine Methode geschaffen, das Langzeitverhalten von Kunststoffen durch schnelle Untersuchungen an ultradünnen Schichten in Kombination mit computerunterstützten Modellen vorherzusagen. So können z.B. Abbauverhalten und -dauer von bakteriell hergestelltem Bioplastik innerhalb weniger Stunden – anstelle von Monaten oder Jahren – ermittelt werden.

Die Wissenschaftler untersuchen an den dünnen Schichten auch Enzyme, die in der Lage sind, das Bioplastik wieder abzubauen. Das Besondere daran: Einige Enzyme können auch herkömmliche Materialien wie PET, das zum Beispiel in Plastikflaschen vorkommt, abbauen. Hier in Teltow wird der Grundstein für einen nachhaltigen Einsatz von Kunststoffen gelegt.

Video: Interview mit Rainhard Machatschek und Natalia Tarazona

Transkript des Videos

Die Lebensdauer von Kunststoffen vorhersagen

Ein nachhaltiger Ressourceneinsatz kann durch einen ausgewogenen Produktlebenszyklus erzielt werden. Dabei ist entscheidend, Lebensdauer und Langzeitverhalten zu kennen. Das würde die Umwelt entlasten und die Medizin voranbringen. Hierbei helfen ultradünne Filme und Simulationen.
Von Lars Klaaßen

Kunststoffabfälle, etwa in Form von Mikroplastik, belasten die Umwelt, vor allem die Ozeane. Einige Materialien sind deutlich länger haltbar als ursprünglich vermutet – und als nötig wäre. Andere lösen sich schneller auf als erwartet, was ebenso problematisch sein kann. Zu wissen, wann sich bestimmte Kunststoffe unter welchen Bedingungen komplett biologisch abbauen, hätte viele Vorteile. Zum Beispiel bei einem Nahtmaterial, das sich nach einem medizinischen Eingriff zur gewünschten Zeit einfach auflöst. Temperatur, pH-Wert, Enzyme, mechanische Beanspruchung sowie die Interaktion mit Zellen und Geweben haben einen starken Effekt auf die Dauer solcher Prozesse. „Um die Entwicklung neuer Materialien zu beschleunigen, die jeweils gewünschte Eigenschaften und Funktionen aufweisen, arbeiten wir an einer Vorhersagemethode für deren Langzeitverhalten“, sagt Natalia Tarazona, Wissenschaftlerin am HZG-Institut für Biomaterialforschung in Teltow. „Unser Ziel lautet, innerhalb weniger Stunden quantitative Aussagen zum Abbauverhalten von Polymeren treffen zu können, abhängig von Umweltparametern sowie chemischer Zusammensetzung und Struktur.“

3 Natalia Tarazona Klein

Die experimentell gewonnenen Daten kombinieren die Forscherinnen und Forscher mit Computermodellen, um Vorhersagen für makroskopische Formkörper zu liefern. Einer von ihnen ist Dr. Rainhard Machatschek. Foto: HZG/ Gesine Born

Dazu werden wenige Mikrogramm Material zu nanoskopisch dünnen Filmen ausgebreitet, die auf einer Wasseroberfläche schwimmen. Durch den Abbau der kettenförmigen Moleküle entstehen wasserlösliche Fragmente, was die Fläche des Films reduziert. Letztere lässt sich präzise messen. Diese experimentell gewonnenen Daten kombinieren die Forscherinnen und Forscher mit Computermodellen, um Vorhersagen für makroskopische Formkörper zu liefern. Denn zur vollständigen Beschreibung des Abbauverhaltens von medizinischen Implantaten oder Alltagsgegenständen fehlt noch ein weiterer Baustein. Der Transport von kleinen Molekülfragmenten aus dem Material hinaus sowie die Diffusion von Wasser, welches Voraussetzung für die molekularen Prozesse des Abbaus ist, können bei diesem Experiment nicht erfasst werden. „Hierzu eignen sich multiskalige Computersimulationen, in die wir die Ergebnisse mit den ultradünnen Filmen integrieren“, sagt Tarazona. „Mittelfristig wollen wir schon vor der Herstellung von Probekörpern wissen, wie das Langzeitverhalten eines Materials in verschiedenen Szenarien aussieht.“

„Eine Stoffklasse, die uns momentan sehr interessiert, sind die Polyhydroxyalkanoate“, so Tarazona. „Diese PHA haben gegenüber anderen Kunststoffen biologischen Ursprungs den großen Vorteil, dass sie komplett in Bakterien synthetisiert werden, welche man etwa mit Agrarabfällen füttern kann.“ PHA waren zunächst spröde und bildeten schnell Risse. Neuere Vertreter wie Polyhydroxyoctanoat (PHO) sind deutlich elastischer und flexibler. „Da über das Langzeitverhalten dieser PHO nur sehr wenig bekannt ist, haben wir uns das Material unter verschiedenen Umwelteinflüssen angeschaut“, so Tarazona. „Sie sind vollständig abbaubar.“

Impressionen aus der Forschung:

Wissenschaftlerin im Labor

Dr. Natalia Tarazona erforscht das Langzeitverhalten von Bioplastik. Das Abbauverhalten ultradünner Schichten liefert hierzu wichtige Erkenntnisse in kurzer Zeit. Foto: HZG/Gesine Born

Dr. Natalia Tarazona

„Unser Ziel lautet, innerhalb weniger Stunden quantitative Aussagen zum Abbauverhalten von Polymeren treffen zu können, abhängig von Umweltparametern sowie chemischer Zusammensetzung und Struktur", so Dr. Natalia Tarazona. Foto: HZG/Gesine Born

Detailaufnahme Polymerfilm

Bei der Methode der Biomaterialforscher werden wenige Mikrogramm Material zu nanoskopisch dünnen Filmen ausgebreitet, die auf einer Wasseroberfläche schwimmen. Durch den Abbau der kettenförmigen Moleküle entstehen wasserlösliche Fragmente, was die Fläche des Films reduziert. Letztere lässt sich präzise messen. Foto: HZG/Gesine Born

Dr. Rainhard Machatschek

Die experimentell gewonnenen Daten kombinieren die Forscherinnen und Forscher mit Computermodellen, um Vorhersagen für makroskopische Formkörper zu liefern. Einer von ihnen ist Dr. Rainhard Machatschek. Foto: HZG/Gesine Born