Früher kaufte man Wasser in Glasflaschen, heute bevorzugen wir die leichten Plastikvarianten. Einst bestanden Rohre aus Metall, bis Kunststoff sie verdrängte. Und Tüten, Hüllen und Schachteln aller Art bestehen nun meist ebenfalls nicht mehr aus Stoff, Holz oder Papier, sondern – genau – aus Plaste. Kein Wunder, denn dieser Werkstoff hat viele Vorzüge: Er ist leicht, lässt sich schnell in alle denkbaren Formen bringen und das auch noch zu günstigen Preisen.

So ist es dann wohl auch zu erklären, dass weltweit jährlich rund 250 Millionen Tonnen Plastik hergestellt werden. Vierzig Prozent davon gehen allein in alle Arten von Verpackungsmaterial. Aber auch einige Nachteile hängen dem scheinbaren Alleskönner an. Im Gegensatz zu Glas oder Stahl weist er zum Beispiel eine relativ hohe Durchlässigkeit für atmosphärische Gase wie Sauer- oder Kohlenstoff auf. Das bremst den vollkommenen Siegeszug dieses Materials.

Verantwortlich dafür ist seine Struktur, denn der Grundbestandteil von Kunststoff sind synthetische Polymere – also lange Molekülketten. Diese liegen mehr oder weniger wild durcheinander herum – ein bisschen wie auf einem Teller Spaghetti –, was zwischen den einzelnen Verbindungen an einigen Stellen genug Platz lässt, um Gas hindurchtreten zu lassen.

Zwar ist auch Glas in seinem Innersten nicht fein säuberlich geordnet, doch sind hier die Zwischenräume zum einen kleiner und noch wichtiger: Die Silikatketten halten still. Das verdanken sie einer hohen Erweichungstemperatur, die bei Silikatgläsern zwischen 500 und mehr als 1000 Grad Celsius liegt. Bei solchen Temperaturen wandelt sich das Material also von seinem harten in einen zähflüssigen und elastischen Zustand. Im Plastik geht es hingegen bereits bei Raumtemperatur hoch her – die Polymerketten sind alles andere als bewegungslos.

Das senkt natürlich die Barriereeigenschaften, denn das Gewackel schafft immer wieder Schlupflöcher für fremde Atome oder Moleküle. In der Regel gilt: Je höher die Erweichungstemperatur, desto besser die Blockade. Im Fall von Polyethylenterephthalat (PET) liegt sie beispielsweise bei 80 Grad Celsius, bei anderen dagegen in knackigen Minusgraden. Damit können in PET-Flaschen kohlensäurehaltige Getränke ohne Probleme eingesperrt werden, doch für Sauerstoff ist es noch zu durchlässig.

So bleibt oft nur, den Kunststoff mit einem dichteren Material zu überziehen oder ihm irgendwelche Zusatzstoffe beizumengen. Wirklich befriedigend ist diese Lösung aber nicht. Könnte man die Molekülketten nicht einfach so ordentlich zusammenpacken, dass kein Gas mehr durchpasst? Forscher versuchen genau das seit über 50 Jahren – und fanden sogar Mittel und Wege, um die Polymere zur Kristallisation zu treiben. Allerdings waren die Verfahren meist nicht sonderlich effizient. Hinzu kam, dass ihre Erzeugnisse die gewünschte Kristallstruktur nicht flächendeckend aufwiesen.

Haopeng Wang von der Case Western Reserve University in Cleveland und seine Kollegen haben nun einen anderen Ansatz verfolgt. Sie zeigen, wie Polyethylenoxid oder kurz PEO von der Schmelze an verarbeitet werden muss, um extrem dünne Schichten – jeweils aus einem einzigen Einkristall bestehend – auszubilden. Zunächst sollte der Werkstoff in eine mehrschichtige Sandwich-Struktur gebracht werden, in der sich PEO und ein Ethylen-Acrylsäure-Copolymer (EAA) abwechseln.

Der bei diesem Arbeitsschritt ausgeübte Druck zwingt die Molekülketten des PEO, sich so platzsparend wie irgend möglich zusammenzugesellen. Während das Copolymer sein chaotisches Innenleben beibehält, falten sich die PEO-Ketten in regelmäßigen Abständen, etwa alle 10 bis 20 Nanometer, mal vor und mal zurück und ordnen sich so in einer Lamellenstruktur an. Bei ihren Versuchen variierten die Forscher nun sowohl die Schichtanzahl als auch das Verhältnis der Schichtdicke von PEO und EAA. Reduzierten sie die PEO-Schicht auf 20 Nanometer, kristallisierten die Polymerketten darin in einzelne, lange Lamellen.

Diese können nun wie ein großer Einkristall angesehen werden, berichten Wang und sein Team. Und tatsächlich: In dieser Form sinkt die Durchlässigkeit im besten Fall um etwa zwei Größenordnungen. Die Diffusionsrate hänge nun allein von Fehlstellen in dieser Struktur ab – etwa an den Enden der Lamellen. Mit dem neuen Verfahren sei es nun möglich, solche Nanoschichten in großer Vielzahl herzustellen und den Zusammenhang von Aufbau und Eigenschaften noch besser zu erforschen, schreiben die Forscher.

Und irgendwann einmal könnten die dichten Plastikfolien dann als zusätzliche Barriereschichten für nur teilkristalline Polymere zum Einsatz kommen – und diverse Dinge von Nahrungsmitteln, über Medizin bis hin zur Elektronik einhüllen.