Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Zielgenaue Selbstorganisationsprozesse: Von polymeren Bausteinen zu hierarchischen Strukturen

29.02.2012
Selbstorganisierte Prozesse, in denen sich kleine molekulare Bausteine zu großen funktionsfähigen Strukturen, z.B. Zellen, zusammenschließen, sind für alle lebenden Organismen grundlegend.

Kann die Polymerchemie, dem Vorbild der Natur folgend, derartige Prozesse unter Laborbedingungen mit ebenso hoher Effizienz steuern? In der Online-Ausgabe des Wissenschaftsmagazins "Nature Communications" stellt eine Forschungsgruppe um Prof. Dr. Axel Müller (Universität Bayreuth) ein neuartiges Konzept vor, mit dem es gelingt, ausgehend von einzelnen Kunststoffmolekülen hierarchisch aufgebaute Großstrukturen zielgenau zu formen - und zwar so, dass diese Prozesse wie in der Natur von selbst ablaufen.


Kunststoffmoleküle (Triblockterpolymere), bestehend aus drei linear aufgebauten Abschnitten, bilden das Ausgangsmaterial für zielgenau gesteuerte Selbstorganisationsprozesse, aus denen verschiedenartige hierarchische Großstrukturen hervorgehen.
Grafik: Lehrstuhl MC II, Universität Bayreuth; mit Quellenangabe zur Veröffentlichung frei.

An der internationalen Forschungsgruppe waren zusammen mit Prof. Dr. Axel Müller und seinen Mitarbeitern am Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie II in Bayreuth auch Wissenschaftler in Aachen, Jena, Pau (Frankreich) und St. Petersburg (Russland) beteiligt. Der DFG-Sonderforschungsbereich 840 "Von partikularen Nanosystemen zur Mesotechnologie" an der Universität Bayreuth hat die Forschungsarbeiten gefördert.

Bei den Kunststoffmolekülen, die in den Bayreuther Laboratorien als Ausgangsmaterial verwendet wurden, handelt es sich um Triblockterpolymere. Diese bestehen aus drei linear aufgebauten Abschnitten, die kettenförmig aneinander hängen. Dabei besteht jeder Abschnitt aus 10 bis 500 gleichartigen Bausteinen. Entscheidend ist nun, dass die drei Abschnitte A, B und C hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften – insbesondere ihrer Löslichkeit – fundamental verschieden sind. Derartige Unterschiede sind beispielsweise dann gegeben, wenn es sich bei den drei Abschnitten um die Kunststoffe Polystyrol, Polybutadien und Polymethylmethacrylat handelt. "In der Natur kommen derartige Strukturen nicht vor", betont Prof. Dr. Axel Müller. "Denn ihre Bestandteile vertragen sich normalerweise nicht gut miteinander und wollen von sich aus keine chemischen Bindungen eingehen. In unseren Laboratorien aber haben wir ihnen sozusagen Handschellen angelegt und sie an ihren Enden so verknüpft, dass sie eine lange feste Kette bilden."

Der nächste Schritt besteht darin, dass die Triblockterpolymere einem Lösungsmittel ausgesetzt werden, in denen nur ihr Mittelabschnitt B nicht löslich ist, wohl aber ihre Außenabschnitte A und C. In einem solchen Lösungsmittel bilden sich größere Molekülgruppen heraus; und zwar in der Weise, dass sich die B-Abschnitte kugelförmig aneinander lagern, während die löslichen Enden A und C nach außen frei beweglich sind. Es entstehen sternförmige Aggregate, Mizellen genannt, die deutlich größer sind als 10 Nanometer.

Diese Sternstrukturen lassen sich nun ihrerseits in größere, komplexe Einheiten überführen. Dazu wird ein Lösungsmittel benötigt, in welchem auch die A-Abschnitte nicht löslich sind, so dass diese sich mit ihresgleichen zusammenlagern. Die symmetrischen Strukturen, die dabei herauskommen, bewegen sich nunmehr in einer Größenordnung zwischen 50 und 100 Nanometern. Unter dem Mikroskop erinnern sie an vertraute Alltagsobjekte. "Kleeblatt", "Fußball", "Hamburger" oder "Double-Burger" haben die Bayreuther Polymerchemiker sie genannt. Es hängt keineswegs vom Zufall ab, welche dieser Strukturen sich herausbilden. Denn wie die Experimente in den Bayreuther Laboratorien gezeigt haben, ist es mit relativ einfachen Mitteln möglich, den Entstehungsprozess aller dieser Strukturen von Anfang an zielgenau zu steuern. Entscheidend sind dabei zwei Faktoren: die Länge der Abschnitte A, B und C in den Triblockterpolymeren, die als Ausgangsmaterial gewählt werden, und die Qualität des Lösungsmittels. Unter geeigneten Laborbedingungen kann der Prozess bis zu kettenförmigen Strukturen weitergetrieben werden, die in den Mikrometerbereich vorstoßen.

Der aktuelle Forschungsbeitrag in "Nature Communications" präsentiert damit einen präzise gesteuerten Prozess der hierarchischen Selbstorganisation, der dadurch charakterisiert ist, dass sich polymere Bausteine zu immer größeren Einheiten zusammenschließen. Bei allen Strukturen, die im Zuge dieser Prozesse entstehen, handelt es sich – chemisch gesprochen – um Multikompartment-Mizellen. Sie bestehen aus klar unterscheidbaren Abschnitten ("Kompartimenten"), deren Anzahl und Anordnung sich mit hoher Genauigkeit ansteuern lässt.

"Es ist klar, dass unsere bisherigen Erkenntnisse noch im Bereich der Grundlagenforschung angesiedelt sind", erklärt Prof. Müller. "Aber ebenso deutlich zeichnen sich bereits jetzt hochinteressante Anwendungspotenziale ab. In der Biomedizin können definierte Kompartimente der Multikompartment-Mizellen genutzt werden, um Wirkstoffe einzulagern und in die Zellen zu transportieren; andere Kompartimente können magnetische Partikel oder Marker enthalten, die zur Steuerung oder räumlichen Verfolgung der Mizellen dienen können. Derzeit sind wir selbst gespannt, zu welchen Innovationen unsere bisherigen Erkenntnisse noch führen werden."

Veröffentlichung:

André H. Gröschel, Felix H. Schacher, Holger Schmalz, Oleg V. Borisov, Ekaterina B. Zhulina, Andreas Walther, Axel H.E. Müller,
Precise hierarchical self-assembly of multicompartment micelles,
in: Nature Communications, Volume 3, Article number 710, Published 28 February 2012.

DOI: 10.1038/ncomms1707

Ansprechpartner für weitere Informationen:

Prof. Dr. Axel Müller
Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie II
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 55-3399
E-Mail: axel.mueller@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Aus-Schalter für Nebenwirkungen
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Biochemie

nachricht Ein Fall von „Kiss and Tell“: Chromosomales Kissing wird fassbarer
22.06.2018 | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics