Geoffrey W. Coates und Marc A. Hillmyer

Die moderne Gesellschaft ist auf Polymerwerkstoffe angewiesen, doch die meisten herkömmlichen Kunststoffe werden aus fossilen Rohstoffen hergestellt und viele bleiben lange nach ihrer Nutzung bestehen. Nachhaltige Alternativen müssen die Herkunft der Rohstoffe, die Effizienz der Synthese, die Leistungsfähigkeit des Endprodukts sowie dessen Abbau, Wiederaufbereitung oder Recycling nach der Nutzung berücksichtigen. Geoffrey W. Coates und Marc A. Hillmyer haben über diesen gesamten Prozess hinweg wegweisende und sich ergänzende Beiträge geleistet. Mithilfe von Moleküldesign, Katalyse, Polymerarchitektur und Werkstofftechnik haben sie neue Wege geschaffen, um aus erneuerbaren und zurückgewonnenen Kohlenstoffressourcen Hochleistungspolymermaterial herzustellen, das für den Abbau, die Wiederaufbereitung oder das Recycling konzipiert ist.

Hillmyer hat grundlegende Prinzipien für die Umwandlung erneuerbarer Polymere in praxistaugliche Materialien etabliert. Seine Arbeiten zu Polylactid (PLA) und verwandten aliphatischen Polyestern haben gezeigt, wie molekulare Architektur, Stereochemie und nanoskalige Organisation die Sprödigkeit und den begrenzten Eigenschaftsbereich überwinden können, die oft mit biobasierten Polymeren verbunden sind. Durch die Kombination von starren PLA-Segmenten mit weichen Polyesterblöcken, die aus erneuerbaren Lactonen gewonnen werden, schuf er zähe Kunststoffe, hochdehnbare thermoplastische Elastomere und Haft-klebstoffe mit Eigenschaften, die mit denen von Materialien auf Erdölbasis vergleichbar sind. Seine Forschung an aus Zucker gewonnenen Monomeren, schnell abbaubaren Polyestern und wiederaufbereitbaren Polymernetzwerken auf PLA-Basis hat zudem gezeigt, wie erneuerbarer Ursprung, hohe Leistungsfähigkeit, Reparierbarkeit und Wiederaufbereitbarkeit in ein und demselben Material vereint werden können. Diese Fortschritte haben allgemeine Konstruktions-prinzipien, Kompatibilität mit etablierten Schmelzverarbeitungsverfahren und industriell relevante Wege für nachhaltige Polymere aufgezeigt.

Coates hat die Polymersynthese durch Katalysatoren revolutioniert, die eine präzise Steuerung der Polymerzusammensetzung, der Stereochemie und weitere Eigenschaften der Polymere ermöglichen. Er entwickelte chemische Verfahren zur Herstellung biologisch abbaubarer Polyhydroxyalkanoate (PHAs), bei denen Epoxide in Beta-Lactone umgewandelt und anschließend zu Materialien mit einstellbaren thermischen, mechanischen und abbauenden Eigenschaften polymerisiert werden. Diese Epoxide können aus erneuerbaren Alkenen gewonnen werden, während das bei ihrer Herstellung verwendete Kohlenmonoxid durch Reduktion von Kohlendioxid gewonnen werden kann. Coates leistete zudem Pionierarbeit bei hochaktiven Katalysatoren für die alternierende Kopolymerisation von Kohlendioxid und Epoxiden und schuf damit die wissenschaftlichen Grundlagen für CO₂-haltige Polycarbonate und Polyole, die mittlerweile industriell hergestellt werden. Seine Arbeiten zu aus Terpenen gewonnenen Polymeren, sequenzgesteuerten biomedizinischen Polyestern und zum Polymerrecycling haben diese Prinzipien auf ein breites Spektrum nachhaltiger Materialien ausgeweitet und einen direkten Weg vom Katalysatordesign zur skalierbaren Produktion aufgezeigt.

Dank ihrer Zusammenarbeit konnten diese Ansätze zusammengeführt werden. In gemeinsam verfassten Forschungsarbeiten kombinierten Coates und Hillmyer kontrollierte Polymersynthese, Werkstofftechnik und Umweltanalyse, um Polyesterelastomere mit hoher mechanischer Leistungsfähigkeit und nachweisbarer enzymatischer Hydrolysierbarkeit zu entwickeln. Sie entwickelten zudem robuste Polyesternetzwerke, die durch einen dynamischen Bindungsaustausch wiederaufbereitet, als Prepolymere zurückgewonnen oder hydrolytisch abgebaut werden können. Ihre Partnerschaft wurde durch das von Hillmyer gegründete und geleitete National Science Foundation Center for Sustainable Polymers gestärkt, wobei Coates das Forschungsprogramm an der Cornell University leitete. Das Zentrum hat Forscher aus Wissenschaft und Industrie auf den Gebieten der nachwachsenden Rohstoffe, der katalytischen Polymerisation, der Materialeigenschaften, des biologischen Abbaus und des chemischen Recyclings zusammengebracht. Durch ihre Entdeckungen, ihre Zusammenarbeit und ihre wissenschaftliche Führungsrolle haben Coates und Hillmyer einen integrierten Weg von der molekularen Erfindung bis hin zu industriell relevanten Materialien und deren verantwortungsvoller Entsorgung geschaffen. Damit haben sie dazu beigetragen, die Grundlagen für eine Polymerwirtschaft zu legen, die weniger von fossilen Ressourcen abhängig ist und umweltverträglichere Entsorgungsmöglichkeiten bietet.

Geoffrey W. Coates: Department of Chemistry and Chemical Biology at Cornell University

Marc A. Hillmyer: University of Minnesota, Department of Chemistry