Uni­ver­si­tät Bay­reuth: Wie von Gei­ster­hand – Pro­gram­mier­te Nano­par­ti­kel orga­ni­sie­ren sich zu hoch­kom­ple­xen Nanostrukturen

Zel­len von Pflan­zen und Tie­ren sind ein pro­mi­nen­tes Bei­spiel dafür, wie die Natur – aus­ge­hend von mole­ku­la­ren Struk­tu­ren des Erb­guts – in einer ziel­ge­rich­te­ten, vor­pro­gram­mier­ten Wei­se immer grö­ße­re Ein­hei­ten auf­baut. Die Nano­tech­no­lo­gie ver­sucht die­ses Bot­tom-up-Prin­zip zu kopie­ren, indem sie die Fähig­keit von Nano­par­ti­keln zur selb­stän­di­gen Struk­tur­bil­dung nutzt. Dar­an anknüp­fend, stel­len Poly­mer­wis­sen­schaft­ler aus Bay­reuth, Aachen, Jena, Mainz und Hel­sin­ki jetzt in „Natu­re“ ein neu­ar­ti­ges Prin­zip der Selbst-Aggre­ga­ti­on vor, das sich künf­tig als sehr vor­teil­haft erwei­sen könn­te – sowohl für die wei­te­re Erfor­schung die­ser Pro­zes­se als auch für tech­no­lo­gi­sche Anwendungen.

Die For­schungs­grup­pe wur­de von dem Poly­mer­che­mi­ker Prof. Dr. Axel Mül­ler gelei­tet, der bis zu sei­ner Eme­ri­tie­rung im Jah­re 2012 den Lehr­stuhl für Makro­mo­le­ku­la­re Che­mie II an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth inne­hat­te und jetzt als Fel­low des Guten­berg For­schungs­kol­legs an der Uni­ver­si­tät Mainz tätig ist. Die wei­te­ren Mit­glie­der des Teams sind Dr. André Grö­s­chel (frü­her Uni­ver­si­tät Bay­reuth, jetzt Aal­to Uni­ver­si­ty Hel­sin­ki), Tina Löb­ling und Dr. Hol­ger Schmalz (Uni­ver­si­tät Bay­reuth), Dr. Andre­as Walt­her (DWI an der RWTH Aachen) und Jun.-Prof. Dr. Felix Scha­cher (Uni­ver­si­tät Jena). Der DFG-Son­der­for­schungs­be­reich 840 “Von par­ti­ku­lä­ren Nano­sy­ste­men zur Meso­tech­no­lo­gie” an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth hat die For­schungs­ar­bei­ten gefördert.

Von Makro­mo­le­kü­len zu wei­chen Nanopartikeln

Aus­gangs­punkt für das in „Natu­re“ ver­öf­fent­lich­te Prin­zip der Selbst-Aggre­ga­ti­on sind ket­ten­ar­ti­ge Makro­mo­le­kü­le mit einer Grö­ße zwi­schen 10 und 20 Nano­me­tern. Es han­delt sich, che­misch gespro­chen, um Tri­block-Ter­po­ly­me­re. Die­se bestehen aus drei linea­ren, ket­ten­ar­tig mit­ein­an­der ver­bun­de­nen Abschnit­ten („Blöcken“). Sie wer­den durch ein spe­zi­el­les Syn­the­se-Ver­fah­ren, die so genann­te leben­de Poly­me­ri­sa­ti­on, her­ge­stellt und sind für die For­schung leicht zugäng­lich. Die For­schungs­grup­pe konn­te die drei­tei­li­gen Makro­mo­le­kü­le nun dazu ver­an­las­sen, sich zu wei­chen Nano­par­ti­keln mit einem Durch­mes­ser von rund 50 Nano­me­tern zusam­men­zu­schlie­ßen. Bei die­ser Selbst-Aggre­ga­ti­on der Makro­mo­le­kü­le spiel­ten Lösungs­mit­tel eine wesent­li­che Rol­le. Die­se wur­den so ziel­ge­nau aus­ge­wählt und ein­ge­setzt, dass die unter­schied­li­che Lös­lich­keit der drei Blöcke und die Unver­träg­lich­keit von Poly­me­ren unter­ein­an­der ent­schei­dend zur Ent­ste­hung der gewünsch­ten inne­ren Struk­tur der Nano­par­ti­kel bei­getra­gen haben.

Die Wis­sen­schaft­ler haben die­ses Ver­fah­ren auf zwei Sor­ten von „Tri­block-Ter­po­ly­me­ren“ ange­wen­det. Deren Unter­schied liegt in der che­mi­schen Beschaf­fen­heit der mitt­le­ren Blöcke: Die einen Makro­mo­le­kü­le haben die Struk­tur „A – B – C“, die ande­ren die Struk­tur „A – D – C“. Erste­re bil­den Nano­par­ti­kel mit nur einer Bin­dungs­stel­le und ten­die­ren dazu, sich zu kugel­ar­ti­gen Über­struk­tu­ren zusam­men­fin­den; letz­te­re bil­den Nano­par­ti­kel mit zwei Bin­dungs­stel­len und sind dem­entspre­chend geneigt, sich in ket­ten­ar­ti­gen Über­struk­tu­ren zu orga­ni­sie­ren. Ent­schei­dend ist dabei: In bei­den Fäl­len ist die Struk­tur der Nano­par­ti­kel durch die Syn­the­se der zugrun­de lie­gen­den Makro­mo­le­kü­le vor­pro­gram­miert, ähn­lich wie die Struk­tur eines Pro­te­ins durch die Abfol­ge der Ami­no­säu­ren vor­her­be­stimmt wird.

Die Mischung macht’s: Von wei­chen Nano­par­ti­keln zu „Rau­pen­mi­zel­len“
Mit den Nano­par­ti­keln ist der Pro­zess der Selbst-Aggre­ga­ti­on aber noch nicht been­det. Wür­de man die aus den Makro­mo­le­kü­len ent­stan­de­nen Nano­par­ti­kel von­ein­an­der getrennt hal­ten und sich selbst über­las­sen, ent­stün­den tat­säch­lich einer­seits kugel­ar­ti­ge, ande­rer­seits ket­ten­ar­ti­ge Über­struk­tu­ren. Doch die Grup­pe um Prof. Mül­ler hat statt­des­sen eine ande­re For­schungs­idee ent­wickelt und umge­setzt: Die unter­schied­lich struk­tu­rier­ten Nano­par­ti­kel wur­den so gemischt, dass sie gemein­sam – in einem Pro­zess der Co-Aggre­ga­ti­on – eine völ­lig neue Über­struk­tur bil­den. Dar­in wech­seln sich Nano­par­ti­kel, die aus Mole­kü­len mit der Struk­tur „A – B – C“ her­vor­ge­gan­gen sind, und Nano­par­ti­kel, die sich aus Mole­kü­len mit der Struk­tur „A – D – C“ gebil­det haben, in einer exakt defi­nier­ten Wei­se ein­an­der ab.

Die neue über­ge­ord­ne­te Struk­tur hat, wenn sie mit dem Elek­tro­nen­mi­kro­skop sicht­bar gemacht wird, star­ke Ähn­lich­keit mit einer far­ben­präch­ti­gen Schmet­ter­lings­rau­pe. Denn die­se besteht gleich­falls aus klar von­ein­an­der abge­grenz­ten, regel­mä­ßig auf­ein­an­der fol­gen­den Abschnit­ten. Die For­schungs­grup­pe um Prof. Mül­ler hat des­halb für die­se durch Co-Aggre­ga­ti­on gebil­de­te Groß­struk­tur den Begriff „Rau­pen­mi­zel­le“ geprägt.

Zukunfts­per­spek­ti­ven: Auf dem Weg zu neu­en Technologien
Die jetzt in „Natu­re“ ver­öf­fent­lich­ten For­schungs­er­geb­nis­se sind ein Mei­len­stein auf dem Weg zu neu­ar­ti­gen hier­ar­chi­schen Struk­tu­ren, die aus pro­gram­mier­ten Pro­zes­sen der Selbst-Aggre­ga­ti­on her­vor­ge­hen. Sie mar­kie­ren inso­fern einen Para­dig­men­wech­sel, als sich die bis­he­ri­ge For­schung oft auf Ver­fah­ren der Struk­tu­rie­rung kon­zen­triert hat, die auf dem Top-down-Prin­zip beru­hen, also dem Her­aus­ar­bei­ten einer Mikro­struk­tur aus einem grö­ße­ren Kom­plex. „Die­ses Prin­zip stößt in abseh­ba­rer Zukunft an sei­ne Auf­lö­sungs­gren­zen“, erklärt Prof. Mül­ler. „Kom­ple­xe Struk­tu­ren im Nano­me­ter-Bereich sind nur in den sel­ten­sten Fäl­len realisierbar.“
Das an der Natur ori­en­tier­te Bot­tom-up-Prin­zip, das die Fähig­kei­ten zur Selbst-Aggre­ga­ti­on nutzt, eröff­net hin­ge­gen weit­rei­chen­de Zukunfts­per­spek­ti­ven. Beson­ders attrak­tiv ist dabei die Viel­zahl der Makro­mo­le­kü­le, die als Grund­bau­stei­ne infra­ge kom­men. Sie kön­nen dazu die­nen, bestimm­te Funk­tio­na­li­tä­ten gezielt in die ange­streb­ten Groß­struk­tu­ren ein­zu­schleu­sen, wie bei­spiels­wei­se die Sen­si­bi­li­tät für Ein­flüs­se aus der Umge­bung (Tem­pe­ra­tur, Licht, elek­tri­sche und magne­ti­sche Fel­der, etc.) oder die Schalt­bar­keit. Denk­ba­re Anwen­dun­gen wären die Nano­li­tho­gra­phie oder die zeit­lich und lokal vor­pro­gram­mier­te Medi­ka­men­ten­frei­set­zung. Auch hier zeigt sich wie­der die Ana­lo­gie zum Bau­prin­zip der Tier- und Pflan­zen­zel­le, wo unter­schied­li­che Funk­tio­nen in räum­lich abge­grenz­ten Berei­chen unter­ge­bracht sind.

Makro­mo­le­kü­le, die der Poly­mer­for­schung als Trä­ger bestimm­ter Funk­tio­na­li­tä­ten zur Ver­fü­gung ste­hen, kön­nen hun­dert­mal klei­ner als ein Mikro­me­ter sein. Dem­entspre­chend hoch ist die Fein­heit von über­ge­ord­ne­ten Struk­tu­ren, die letzt­lich aus ihnen her­vor­ge­hen. „Zukünf­ti­ge Tech­no­lo­gien – wie etwa maß­ge­schnei­der­te künst­li­che Zel­len, Tran­si­sto­ren oder Ele­men­te für die Mikro-/Na­no-Robo­tik – kön­nen von die­ser gerin­gen Auf­lö­sungs­gren­ze erheb­lich pro­fi­tie­ren“, erklärt Prof. Mül­ler. „Für unse­re in ‚Natu­re’ vor­ge­stell­ten For­schungs­er­geb­nis­se zeich­nen sich der­zeit zwar noch kei­ne sofor­ti­gen Anwen­dun­gen ab. Aber je bes­ser wir die Bot­tom-up-Pro­zes­se ver­ste­hen ler­nen, die von Mole­kü­len im Nano­me­ter­be­reich zu höhe­ren Hier­ar­chie-Ebe­nen im Mikro­me­ter­be­reich füh­ren, desto greif­ba­rer wer­den dar­auf basie­ren­de neue Tech­no­lo­gien.“ Die Rau­pen­mi­zel­len sind denn auch kei­nes­wegs die ein­zi­gen Groß­struk­tu­ren, die sich aus den durch Selbst-Aggre­ga­ti­on gebil­de­ten Nano­par­ti­keln her­stel­len las­sen. „Die­se wei­chen Nano­par­ti­kel kön­nen zum Bei­spiel auch mit anor­ga­ni­schen oder bio­lo­gi­schen Nano- und Mikro­par­ti­keln kom­bi­niert wer­den, sodass bis­her unbe­kann­te Funk­ti­ons­ma­te­ria­li­en ent­ste­hen. Die Kom­bi­na­ti­ons­mög­lich­kei­ten sind schier end­los“, so Prof. Müller.

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