Wie von Geisterhand: Programmierte Nanopartikel organisieren sich zu hochkomplexen Nanostrukturen

(Nanowerk News) Daran ankn√ľpfend, stellen Polymerwissenschaftler aus Bayreuth, Aachen, Jena, Mainz und Helsinki jetzt in Nature ("Guided hierarchical co-assembly of soft patchy nanoparticles") ein neuartiges Prinzip der Selbst-Aggregation vor, das sich k√ľnftig als sehr vorteilhaft erweisen k√∂nnte ‚Äď sowohl f√ľr die weitere Erforschung dieser Prozesse als auch f√ľr technologische Anwendungen.
Die Forschungsgruppe wurde von dem Polymerchemiker Prof. Dr. Axel M√ľller geleitet, der bis zu seiner Emeritierung im Jahre 2012 den Lehrstuhl f√ľr Makromolekulare Chemie II an der Universit√§t Bayreuth innehatte und jetzt als Fellow des Gutenberg Forschungskollegs an der Universit√§t Mainz t√§tig ist. Die weiteren Mitglieder des Teams sind Dr. Andr√© Gr√∂schel (fr√ľher Universit√§t Bayreuth, jetzt Aalto University Helsinki), Tina L√∂bling und Dr. Holger Schmalz (Universit√§t Bayreuth), Dr. Andreas Walther (DWI an der RWTH Aachen) und Jun.-Prof. Dr. Felix Schacher (Universit√§t Jena). Der DFG-Sonderforschungsbereich 840 "Von partikul√§ren Nanosystemen zur Mesotechnologie" an der Universit√§t Bayreuth hat die Forschungsarbeiten gef√∂rdert.
Nanopartikel, die durch Selbst-Aggregation entstanden sind, schliessen sich zu einer Raupenmizelle zusammen
Elektronenmikroskopische Aufnahme: Nanopartikel, die durch Selbst-Aggregation entstanden sind, schliessen sich zu einer ‚ÄěRaupenmizelle" zusammen. Li. oben: Foto einer Schmetterlingsraupe. (EM-Aufnahme: Forschungsgruppe Prof. Axel M√ľller // Foto der Schmetterlingsraupe: Urheberrechte am Bild Anest, mit Nutzungslizenz von Shutterstock.com)
Von Makromolek√ľlen zu weichen Nanopartikeln
Ausgangspunkt f√ľr das in Nature ver√∂ffentlichte Prinzip der Selbst-Aggregation sind kettenartige Makromolek√ľle mit einer Gr√∂sse zwischen 10 und 20 Nanometern. Es handelt sich, chemisch gesprochen, um Triblock-Terpolymere. Diese bestehen aus drei linearen, kettenartig miteinander verbundenen Abschnitten ("Bl√∂cken"). Sie werden durch ein spezielles Synthese-Verfahren, die so genannte lebende Polymerisation, hergestellt und sind f√ľr die Forschung leicht zug√§nglich. Die Forschungsgruppe konnte die dreiteiligen Makromolek√ľle nun dazu veranlassen, sich zu weichen Nanopartikeln mit einem Durchmesser von rund 50 Nanometern zusammenzuschliessen. Bei dieser Selbst-Aggregation der Makromolek√ľle spielten L√∂sungsmittel eine wesentliche Rolle. Diese wurden so zielgenau ausgew√§hlt und eingesetzt, dass die unterschiedliche L√∂slichkeit der drei Bl√∂cke und die Unvertr√§glichkeit von Polymeren untereinander entscheidend zur Entstehung der gew√ľnschten 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 Bl√∂cke: Die einen Makromolek√ľle haben die Struktur "A ‚Äď B ‚Äď C", die anderen die Struktur "A ‚Äď D ‚Äď C". Erstere bilden Nanopartikel mit nur einer Bindungsstelle und tendieren dazu, sich zu kugelartigen √úberstrukturen zusammenfinden; letztere bilden Nanopartikel mit zwei Bindungsstellen und sind dementsprechend geneigt, sich in kettenartigen √úberstrukturen zu organisieren. Entscheidend ist dabei: In beiden F√§llen ist die Struktur der Nanopartikel durch die Synthese der zugrunde liegenden Makromolek√ľle vorprogrammiert, √§hnlich wie die Struktur eines Proteins durch die Abfolge der Aminos√§uren vorherbestimmt wird.
Die Mischung macht’s: Von weichen Nanopartikeln zu "Raupenmizellen"
Mit den Nanopartikeln ist der Prozess der Selbst-Aggregation aber noch nicht beendet. W√ľrde man die aus den Makromolek√ľlen entstandenen Nanopartikel voneinander getrennt halten und sich selbst √ľberlassen, entst√ľnden tats√§chlich einerseits kugelartige, andererseits kettenartige √úberstrukturen. Doch die Gruppe um Prof. M√ľller hat stattdessen eine andere Forschungsidee entwickelt und umgesetzt: Die unterschiedlich strukturierten Nanopartikel wurden so gemischt, dass sie gemeinsam ‚Äď in einem Prozess der Co-Aggregation ‚Äď eine v√∂llig neue √úberstruktur bilden. Darin wechseln sich Nanopartikel, die aus Molek√ľlen mit der Struktur "A ‚Äď B ‚Äď C" hervorgegangen sind, und Nanopartikel, die sich aus Molek√ľlen mit der Struktur "A ‚Äď D ‚Äď C" gebildet haben, in einer exakt definierten Weise einander ab.
Durch Selbst-Aggregation schließen sich Triblock-Terpolymere jeweils zu Nanopartikeln zusammen
Durch Selbst-Aggregation schlie√üen sich Triblock-Terpolymere jeweils zu Nanopartikeln zusammen. Diese bilden durch Co-Aggregation eine Gro√üstruktur, die einer Schmetterlingsraupe √§hnlich sieht. (Grafik: Forschungsgruppe Prof. Axel M√ľller)
Die neue √ľbergeordnete Struktur hat, wenn sie mit dem Elektronenmikroskop sichtbar gemacht wird, starke √Ąhnlichkeit mit einer farbenpr√§chtigen Schmetterlingsraupe. Denn diese besteht gleichfalls aus klar voneinander abgegrenzten, regelm√§ssig aufeinander folgenden Abschnitten. Die Forschungsgruppe um Prof. M√ľller hat deshalb f√ľr diese durch Co-Aggregation gebildete Grossstruktur den Begriff "Raupenmizelle" gepr√§gt.
Zukunftsperspektiven: Auf dem Weg zu neuen Technologien
Die jetzt in "Nature" ver√∂ffentlichten 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 gr√∂sseren Komplex. "Dieses Prinzip st√∂sst in absehbarer Zukunft an seine Aufl√∂sungsgrenzen", erkl√§rt Prof. M√ľller. "Komplexe Strukturen im Nanometer-Bereich sind nur in den seltensten F√§llen realisierbar."
Das an der Natur orientierte Bottom-up-Prinzip, das die F√§higkeiten zur Selbst-Aggregation nutzt, er√∂ffnet hingegen weitreichende Zukunftsperspektiven. Besonders attraktiv ist dabei die Vielzahl der Makromolek√ľle, die als Grundbausteine infrage kommen. Sie k√∂nnen dazu dienen, bestimmte Funktionalit√§ten gezielt in die angestrebten Grossstrukturen einzuschleusen, wie beispielsweise die Sensibilit√§t f√ľr Einfl√ľsse aus der Umgebung (Temperatur, Licht, elektrische und magnetische Felder, etc.) oder die Schaltbarkeit. Denkbare Anwendungen w√§ren 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 r√§umlich abgegrenzten Bereichen untergebracht sind.
Makromolek√ľle, die der Polymerforschung als Tr√§ger bestimmter Funktionalit√§ten zur Verf√ľgung stehen, k√∂nnen hundertmal kleiner als ein Mikrometer sein. Dementsprechend hoch ist die Feinheit von √ľbergeordneten Strukturen, die letztlich aus ihnen hervorgehen.
"Zuk√ľnftige Technologien ‚Äď wie etwa massgeschneiderte k√ľnstliche Zellen, Transistoren oder Elemente f√ľr die Mikro-/Nano-Robotik ‚Äď k√∂nnen von dieser geringen Aufl√∂sungsgrenze erheblich profitieren", erkl√§rt Prof. M√ľller. "F√ľr 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 Molek√ľlen im Nanometerbereich zu h√∂heren Hierarchie-Ebenen im Mikrometerbereich f√ľhren, 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 k√∂nnen zum Beispiel auch mit anorganischen oder biologischen Nano- und Mikropartikeln kombiniert werden, sodass bisher unbekannte Funktionsmaterialien entstehen. Die Kombinationsm√∂glichkeiten sind schier endlos", so Prof. M√ľller.
Source: Universität Bayreuth
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