Erzeugung mechanischer aus chemischer Energie durch homogene sowie durch quergestreifte synthetische Fäden

19 Pages·1958·0.894 MB·German

by  W. Kuhn (auth.)

Sitzungsberichte
der Heidelberger Akademie der Wissenschaften
Mathematisch-naturwissenschaftliche Klasse
Jahrgang 1958, 2. Abhandlung
Erzeugung mechanischer
aus chemischer Energie durch homogene
sowie durch quergestreifte
synthetische Faden
Von
W. Kuhn, Basel
Mit 2 Textabbildungen
(Vorgelegt in der Sitzung vom 8. Februar 1958)
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg GmbH
1958
Sitzungsberichte der Heidelberger
Akademie der Wissenschaften
Mathematisch·naturwissenschaitliche Klasse
Die Jahrgange bis 1921 einschliefJlich erschienen im Verlag von Carl Winter, Universitiits
buchhandlung in Heidelberg, die Jahrgange 1922-1933 im Verlag Walter de Gruyter & Co.
in Berlin, die Jahrgange 1934-1944 bei der WeifJ'schen Universitiitsbuchhandlung in
Heidelberg. 1945, 1946 und 1947 sind keine Sitzung8berichte erschienen.
Jabrgaog 1940.
1. F. EICHHOLTZ und W. SERTEL. Weitere Untersuchungen zur Chemie und Pharma
kologie der Heidelberger Radiumsole. DM 2.20.
2. H. MAAss. Ober Gruppen von hyperabelschen Transformationen. DM 1.20.
3. K. FREUDENBERG, H. WALCH, H. GRIESHABER und A. SCHEFFER. Uber die gruppen-
spezifische Substanz A (5. Mitteilung fiber die Blutgruppe A des Menschen). DM 0.60.
4. W. SOERGEL. Zur biologischen Beurteilung diluvialer Saugetierfaunen. DM 1.-.
5. Annulliert.
6. M. STECK. Ein unbekannter Brief von Gottlob Frege fiber Hilbert's erste Vorlesung
fiber die Grundlagen der Geometrie. DM 0.60.
7. C. OEHME. Der Energiehaushalt unter Einwirkung von Aminosauren bei verschie
dener Ernahrung. I. Der Einflu/3 des Glykokolls bei Hund und Ratte. DM 5.60.
8. A. SEYBOLD. Zur Physiologie des Chlorophylls. DM 0.60.
9. K. FREUDENBERG, H. MOLTER und H. WALCH. Uber die gruppenspezifische Sub
stanz A (6. Mitteilung fiber die Blutgruppe A des Menschen). DM 0.60.
10. TH. PLOETZ. Beitrage zur Kenntnis des Baues der verholzten Faser. DM 2.-.
Jahrgang 1941.
1. Beitrage zur Petrographie des Odenwaldes. I. O. H. ERDMANNSDORFFER. Schollen
und Mischgesteine im Schriesheimer Granit. DM 1.-.
2. M. STECK. Unbekannte Briefe Frege's fiber die Grundlagen der Geometrie und Ant
wortbrief Hilbert's an Frege. DM 1.-.
3. Studien im Gneisgebirge des Schwarzwaldes. XII. W. KLEBER. Ober das Amphi.
bolitvorkommen vom Bannstein bei Haslach im Kinzigtal. DM 1.60.
4. W. SOERGEL. Der Klimacharakter der als nordisch geltenden Saugetiere des Eis
zeitalters. DM 1.40.
Jahrgang 1942.
1. E. GOTSCHLICH. Hygiene in der moderncn Tfirkei. DM 0.60.
2. Studien im Gneisgebirge des Schwarzwaldes. XIII. O. H. ERDMANNSDORFFER.
Ober Granitstrukturen. DM 1.60.
3. J. D. ACHELIS. Die Oberwindung der Alchemie in der paracelsischen Medizin.
DM 1.40.
4. A. BENNINGHOFF. Die biologische Feldtheorie. DM 1.-.
Jahrgang 1943.
1. A. BECKER. Zur Bewertung inkonstanter (l(.Strahlenquellen. DM 1.-.
2. W. BLASCHKE. Nicht·Euklidische Mechanik. DM 0.80.
Jahrgang 1944.
1. C. OEHME. Ober Altern und 'rod. DM 1.-.
1945, 1946 und 1947 sind keine Sitzungsberichte erschienen.
Si tzungsberich te
der Heidelberger Akademie der Wissenschaften
Mathematisch-naturwissenschaftliche Klasse
Jahrgang 1958, 2. Abhandlung
Erzeugung mechanischer
aus chemischer Energie durch homogene
sowie durch quergestreifte
synthetische Faden
Von
W. Kuhn, Basel
Mit 2 Textabbildungen
(Vorgelegt in der Sitzung yom 8. Februar 1958)
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg GmbH
1958
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stattet, diese Abhandlung oder Teile daraus auf photomechanischem
Wege (Photokopie, Mikrokopie) zu vervielfältigen
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1958
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag OHG., Berlin
Göttingen, Heidelberg 1958
ISBN 978-3-540-02338-8 ISBN 978-3-662-30470-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-30470-9
Druck der Universitätsdruckerei H. Stürtz AG., Würzburg
Erzeugung memanismer aus memisdler Energie
durm homogene, sowie durch quergestreifte
synthetische Faden
Von
W. Kuhn, Basel
Mit 2 Textabbildungen
(Vorgelegt in der Sitzung yom 8. Februar 1958)
1. Ausgangspunkt
Gemeinsamer Ausgangspunkt fUr die Verwandlung von Redox
energie in mechanische Energie, sowie fiir die Erzeugung von me
chanischer aus chemischer Energie durch hochpolymere Systeme mit
Querstreifung ist die Moglichkeit einer chemischen Beeinflussung
der Gestalt von Makromolekiilen [1] und sodann die Ubertragung
der GestaiUinderung ins M akroskopische durch Verwendung von
aus F adenmolekiilen ge bildeten raumlichen N etzwerken [2], [3 J.
Bei den ersten Systemen solcher Art wurde mechanische Energie
aus chemischer Energie mit Rilfe von in Wasser gequollenen, aus
Polyacrylsaure (PAS) und Polyvinylalkohol (PV A) bestehenden
Gelfaden dadurch erzeugt, daB die unbelasteten Faden durch Zu
satz von Lauge gedehnt, in gedehntem Zustand mit einem Gewicht
verbunden und dann durch Saure zur Kontraktion und damit zur
Rebung eines Gewichtes veranlaBt wurden [3], [4], [5]. Ein solches
System kann passend als PH-Muskel bezeichnet werden.
2. Kontraktiles Redox-System
Von Interesse war es nun, ein kontraktiles System zu finden,
welches in gleicher Weise mechanische Energie aus chemischer
Energie erzeugt, welches aber, ahnlich wie im natiirlichen Mus
kel, bei praktisch konstantem PH arbeitet und welches die fiir die
Rebung des Gewichtes benotigte Energie nicht dem Vorgang der
Neutralisation von Saure mit Lauge, sondern womoglich einem
Verbrennungsvorgang entnimmt.
Der Aufbau eines solchen Systems, welches als Redox-Muskel
bezeichnet werden konnte, gelingt durch Kopolymerisation von
l' - 545 -
4 W.KUHN:
Vinylacetat mit N-Allylbarbitursaure, Oxydation der Barbitur
saure zu Alloxan und nachfolgender Verseifung des Acetats zu
Polyvinylalkohol [6J, [7], [8J, [9J. Man erhalt in dieser Weise ein
Fadenmolekiil, welches als Polyvinylalkohol-Polyallylalloxan zu
bezeichnen ware (Formel I). Es gelingt, dieses Kopolymere mit
PVA zu vernetzen und damit makroskopische Lamellen herzu
stellen. Es zeigt sich, daB diese Lamellen bei konstantem PH
(n/10 Acetat Puffer; PH = 5) durch katalytische Oxydation und
Reduktion mit O2 bzw. H2 abwechselnd zur Streckung oder Ver
kiirzung veranlaBt werden konnen.
Die bei der Einwirkung von Wasserstoff eintretende Verkilrzung
der Lamelle beruht auf der Wasserunloslichkeit der bei der Reduk
tion des Alloxans entstehenden Dialursaure (s. Formel II) bzw.
auf der WasserunlOslichkeit des entstehenden Na-Dialurats und
-CH2-fH-CH2-fH-CH2-fH- ...
OH CH2 OH
I
N-C=O
I I;>H
O=C C
I I'OH
HN-C=O
Fonnel I: Polyvinylalkohol-Polyallylalloxan
die bei der Oxydation der Dialursaure zum Alloxan eintretende
Dehnung auf der im Gegensatz dazu guten Wasserloslichkeit des
Alloxans. Da die Loslichkeitsanderung und damit die Dehnung
und Kontraktion der Lamellen als Folge einer Oxydation und einer
Reduktion eintritt, ist damit ein System bekannt geworden, mit
dessen Hilfe es gelingt, Redoxenergie bei konstantem PH in muskel
ahnlicher Weise in mechanische Energie zu verwandeln (Redox
Muskel).
Formel II: Polyvinylalkohol-Polyallyldialursaure
- 546 -
Erzeugung mechanischer aus chemischer Energie 5
Ein wichtiges Merkmal, in welchem sich sowohl die PVA-PAS
Lameile, welche sich bei PH-Anderung dilatiert und kontrahiert,
als auch die PVA-Polyallylalloxan-Lameile, welche sich bei Oxy
dation und Reduktion dilatiert und kontrahiert, yom natiirlichen
Muskel offensichtlich unterscheidet, besteht darin, daB bei den
genannten kontraktilen Lamellen die Verliingerung stets mit einer
entsprechenden QuerschnittsvergrOfJerung, die Kontraktion mit einer
Querschnittsverminderung verbunden ist, daB also z. B. die Deh
nung auf einer allseitigen (dreidimensionalen) Quellung, nicht auf
einer einfachen Streckung beruht.
3. Herstellung eines quergestreiften, in der Zusammensetzung
schichtenweise variierenden hochpolymeren Systems [7J, [8J, [9J
Es gelingt in einfacher und doch etwas iiberraschender Weise,
Lamellen herzustellen, welche als Folge von chemischen Ande
rungen Dilatationen und Kontraktionen in nur einer Richtung,
d. h. unter genauer Konstanthaltung des Querschnitts ausfiihren. 1m
Faile des aus Polyvinylalkohol und Polylacrylsaure bestehenden
Systems erhalt man solche Lamellen wie folgt: Es werden zunachst
durch AusgieBen der Losungen auf Glasplatten und anschlieBendes
Eintrocknenlassen zweierlei Folien hergestellt: Eine erste Sorte von
Folien besteht aus reinem PVA ; sie werden durch Warmebehand
lung stark mit sich selbst vernetzt. Die zweite Sorte von Folien
besteht aus etwa gleichen Teilen von PYA und PAS; sie werden
durch Warrnebehandlung zunachst nur wenig mit sich selbst ver
netzt. Folienstiicke jeder Sorte werden nun abwechslungsweise
wie die Blatter eines Buches aufeinander geschichtet, so daB eine
wenig vernetzte, PAS-haltige, PH-empfindliche Folie zwischen
zwei stark in sich vernetzte PAS-freie Folien zu liegen kommt.
Die Schichten werden durch Anfeuchten mit PVA-Losung und an
schlieBendes Trocknen unter maBigem Druck miteinander ver
bunden, so daB ein stabiler Stapel entsteht, welcher anschlieBend
durch kurze Warmebehandlung einer nochmaligen gesamthaften
maBigen Selbstvernetzung unterworfen wird.
4. Eindimensionale Kontraktion und Dilatation des quergestreiften
Systems
Das so erhaltene Aggregat hat die Eigenschaft, bei Zusatz von
Lauge oder Saure seine Hohe bei gleichbleibendem Querschnitt in
reversibler Weise zu vergroBern oder zu verringern. Bei Zusatz
- 547 -
6 W.KUHN:
von Lauge tritt eine Quellung nur bei den Schichten ein, welche
PAS enthalten, und auch bei diesen fUhrt die Quellung aus
schlieBlich zu einer VergroBerung der Dicke, weil die Grund- und
DeckfHiche jeder dieser Folien durch die Verkittung mit einer un
vedinderlichen PYA-Folie in ihrer Querabmessung festgehalten
ist. Mit der bei Zugabe von Lauge in der Richtung der FHichen
normale erfolgenden eindimensionalen Quellung der PAS-haltigen
Schichten ist eine einer Dehnung in derselben Richtung entspre
chende optische Doppelbrech1tng dieser Schichten verbunden. Sie
verschwindet bei der nachfolgenden durch Saure bewirkten Kon
traktion in enger Analogie zum optischen Verhalten der A-Schich
ten des natiirlichen quergestreiften Muskels.
Es ist bemerkenswert, daB das Bestreben, ein kontraktiles
System aufzubauen, welches bei der Dehnung und Kontraktion
nur die Lange und nicht auch den Querschnitt verandert, von
selbst und offenbar zwangslaufig zu einem Bauprinzip gefiihrt hat,
welches dem im natiirlichen quergestreiften Muskel verwirklichten
weitgehend entspricht. Man darf auf Grund der auffallenden
Analogie der Bauprinzipien vermuten, daB die Vorteile, die der
quergestreifte Muskel bietet, eben die Vorteile sind, welche am
kiinstlichen System klargemacht werden konnen.
Es handelt sich erst ens urn die Einschrankung des mit der Kon
traktion und Dilatation verbundenen Wassertransportes aus der
Lamelle in die umgebende Fliissigkeit und umgekehrt, sowie urn
die Vermeidung einer Verdiinnung der fUr die ZerreiBfestigkeit
maBgebenden Geriistsubstanz.
5. Herkunft der bei der Kontraktion erzeugten mechanischen Energie
Neben diesen praktischen Vorteilen, welche das quergestreifte
System fiir die Verwandlung von chemischer in mechanische
Energie besitzt, sei eine quantitative Betrachtung iiber die Her
kunjt der bei Kontraktion erzeugten mechanischen Energie aus che
mischer Energie kurz angedeutet. 1st bei der aus PVA und PAS
bestehenden gequollenen Lamelle Cp die Anzahl von Grundmolen
PAS pro Volumeneinheit und oc der Neutralisationsgrad der PAS
in der Lamelle, so ist Cx-= oc . C p die Konzentration an Polyacryla
tionen in der Lamelle. Geben wir, urn definierte Verhaltnisse zu
haben, dem Fliissigkeitsbade, in welches die Lamelle eingetaucht
ist, eine NaCl Konzentration C (wobei der Index a andeutet, daB
a
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Erzeugung mechanischer aus chemischer Energie 7
es sich urn das AuBenmedium handelt), so stellt sich zwischen der
AuBenfliissigkeit und dem Inneren der Lamelle ein Donnan
Gleichgewicht ein, wobei im Inneren der Lamelle die Ionen X -,
Cl-, OH-, H+ und Na+, im AuBenmedium die Ionen Cl-, OH-,
H+ und Na+ vorhanden sind (Abb. 1). Bei den von uns verwendeten
Lamellen ist C von der GroBenordnung 1 Mol/Liter. Machen wir
p
ex gleich ungefahr 0,1 bis 0,5 und C" ungefahr gleich 10-3. Die fUr
Abb. 1. Donnan-Gleichgewicht zwischen polyacrylsaurehaltiger Schicht der Dicke L, bzw.
L, und Fliissigkeitsbad. Das Fliissigkeitsbad enthalt die Ionen H+, OH-, Na+, Cl-, das
Gel auBerdem Polyacrylat-Ionen (X-). Fiir die im Text durchgefiihrten Betrachtungen
ist vorausgesetzt, daB L'~,Ll < 1; die Konzentration Cx- groBer oder gleich 0,1 Grund
mol/Liter, die Konzentration von NaCl in der AuBenfliissigkeit ungefahr gleich 10-3 Mol/
Liter und die Sauredisoziationskonstante der Polyacrylsaure ungefahr gleich 10-' bis 10-'
Mol/Liter seien
das Donnan-Gleichgewicht geltenden Ausdriicke, insbesondere
auch die Ausdriicke fUr die Wasserstoffionenkonzentration CH,a im
AuBenmedium sind dann einfach. Wenn die Hohe L der PAS
haltigen Schicht bei konstantem Querschnitt von Ll auf L2 ver
groBert wird (s. Abb. 1), so findet eine Verdiinnung der im Gel
vorhandenen Polyacrylsaure, und zwar unter den angedeuteten
Voraussetzungen eine Verdiinnung bei konstantem ex statt. Die
Untersuchung des Donnan-Gleichgewichtes zeigt, daB sich als
Folge hiervon die Wasserstoffionenkonzentration (bzw. Aktivitat)
im AuBenmedium von C auf C andert, wobei in erster Nahe-
H,I H,2
rung
(1 )
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