Nano-Bürsten mit Temperaturgespür

Elektrisch leitfähiges Polymer mit temperaturabhängigen optischen Eigenschaften und Wasserlöslichkeiten

Bei den Stichwörtern Kunststoff und elektrischer Strom denkt man meist automatisch an Dinge wie Isolierungen oder Computer-Gehäuse. Dass Kunststoffe Isolatoren sind, ist jedoch ein Vorurteil. Für die Entdeckung der elektrischen Leitfähigkeit bestimmter Polymere erhielten A. J. Heeger, A. G. MacDiarmid und H. Shirakawa den Chemie-Nobelpreis 2000; die „Kunststoff-Elektronik“ ist auf dem Vormarsch. Ein amerikanisches Team hat nun ein leitfähiges Polythiophen entwickelt, das eine erstaunlich hohe Wasserlöslichkeit zeigt und zudem auf die Umgebungstemperatur antwortet.

Warum sucht man nach elektrisch leitfähigen Polymeren, die wasserlöslich sein sollen? Zum einen ermöglicht die Wasserlöslichkeit umweltfreundlichere Verarbeitungsverfahren. Zum anderen ist sie für viele biologische und diagnostische Anwendungen Voraussetzung. Bestimmte leitfähige Polymere antworten zudem mit einer Farbänderung auf Veränderungen in ihrer Umgebung. Genau das Richtige für Sensoren, um bestimmte Analyt-Moleküle nachzuweisen oder andere Parameter anzuzeigen.

Polythiophene, die wirtschaftlich wichtigste Klasse leitfähiger Polymere, bestehen aus langen Ketten, die als Bauelement Fünfringe aus vier Kohlenstoffatomen und einem Schwefelatom enthalten. Auf ein solches Polythiophen-Rückgrat pfropften die Forscher um Robin L. McCarley Ketten aus einem Polyacrylamid-Abkömmling auf wie Borsten auf den Stiel einer Flaschenbürste. Diese „Borsten“ machen die molekularen „Bürsten“ zu den bisher wasserlöslichsten neutralen Polythiophenen.

Aber die Borsten können noch mehr: Sie reagieren sensibel auf eine Temperaturänderung. Bei Temperaturen unter 30 °C haben die Borsten eine unregelmäßige, insgesamt gestreckte Form und werden förmlich von Wassermolekülen belagert. Wird die Temparatur über 32 °C erhöht, kollabieren diese Strukturen, ziehen sich zu kompakten Kügelchen zusammen und drücken dabei die Wassermoleküle heraus. Natürlich reagiert die ganze Bürste auf diese Konformationsänderung ihrer Borsten. Aus einer eher gestreckten, nur wenig geknäuelten Form zieht sie sich zu einer kompakten sphärischen Gestalt zusammen. Diese Konformationsänderung führt zu einer Abnahme der Wasserlöslichkeit der Bürsten. Deutlicher zu sehen ist eine andere Änderung, nämlich der Farbe: Während eine Lösung der Bürstchen bei niedriger Temperatur orange-rot erscheint, schlägt die Farbe bei höheren Temperaturen in gelb um. Die Farbänderung zeigt an, dass sich die elektronischen Eigenschaften des Polythiophen-Rückgrates verändert haben.

Derartige wasserlösliche polymere Bürsten, die auf äußere Reize mit einer Änderung ihrer opto-elektronischen Eigenschaften reagieren, könnten beispielsweise Anwendung als Biosensoren, in der Bioelektronik, als Nanoschalter, Leuchtdioden oder Fluoreszenzthermometer finden.