Haarige Kugeln kleben besser

Welchen Einfluss hat die Oberfläche, wenn sich Kolloide zu einem zähflüssigen Gel zusammenlagern?

Zellkern, Mitochondrien und Ribosomen schwimmen im Zytoplasma und sinken nicht zum Boden der Zelle - sie verhalten sich wie suspendierte Kolloide. Sylvie Roke, eine Forscherin des Max-Planck-Instituts für Metallforschung in Stuttgart, hat nun gemeinsam mit niederländischen Wissenschaftlern die Eigenschaften von Kolloiden mit einer neuen optischen Messtechnik untersucht. Dabei haben sie herausgefunden, dass die Oberflächenstruktur der Partikel eine wichtige Rolle spielt, wenn sich eine Suspension aus Kolloiden in ein Gel verwandelt. Die Kolloide, welche die Wissenschaftler untersuchten, tragen auf ihrer Oberfläche lange Alkylketten und gleichen damit haarigen Kugeln: Lagern sich die Alkylketten und die Moleküle des Lösungsmittels abwechselnd aneinander, ballen sich die Partikel zu einem Gel zusammen.

Abb.1: Kolloide im Transmissionselektronenmikroskop: Das Bild zeigt Partikel mit einem Durchmesser von etwa 240 nm - das Lösungsmittel wurde verdampft, um die Aufnahme machen zu können. (Bild: Sylvie Roke / Max-Planck-Institut für Metallforschung)

Verglichen mit Atomen sind Kolloide riesig. Ihr durchschnittlicher Durchmesser ist mit 200 nm mehr als 1000-mal größer - eben das macht sie für die Forschung so interessant. Denn Kolloide verhalten sich oft wie Atome. Doch im Gegensatz zu Atomen, den kleinsten Bausteinen der Natur, lassen sich Kolloide auch mikroskopisch beobachten - und die daraus gewonnenen Ergebnisse anschließend auf Atome übertragen. Indem sie Kolloide untersuchen, lernen Wissenschaftler aber auch viel über das Verhalten von Biomolekülen im Inneren von Zellen. Denn in Organismen verlaufen viele chemische Reaktionen in kolloidalen Systemen. In der Medizin forschen die Wissenschaftler deshalb nach Möglichkeiten, Kolloide als Trägermaterial mit anderen Molekülen - etwa Antikrebsmittel - zu bestücken.

In kolloidalen Systemen schweben Partikel in einer Flüssigkeit, ohne das sie sich darin tatsächlich lösen. Die Eigenschaften dieser Systeme sind allerdings bis heute noch nicht vollständig bekannt. Unklar sind etwa die Mechanismen, bei denen Kolloide ihren Zustand ändern: von geordneten kristallinen Strukturen, über dickflüssige Gele bis hin zu gasähnlichen Suspensionen - einem Stoffgemisch, das aufgeschlämmtem Sand im Meer ähnelt.

Die Stuttgarter Forscherin Sylvie Roke hat nun gemeinsam mit Wissenschaftlern des FOM Institute for Atomic and Molecular Physics in Amsterdam Kolloide untersucht, deren Oberflächen lange Alkylketten wie einen Pelz tragen. Sie beobachteten diese Kolloide mit einer neu entwickelten optischen Messtechnik, während eine Suspension der Partikel einen Phasenübergang durchmachte. Sie kühlten die Suspension ab, in der die Teilchen voneinander getrennt umher schwammen. Daraufhin lagerten sich diese zu einem zähflüssigen Gel zusammen. Das lag zum Teil daran, dass sich die Partikel in der Suspension langsamer bewegten - wie Wasser, das allmählich zu Eis erstarrt. Gleichzeitig richteten sich die Alkylketten beim Abkühlen gerade auf - als stünden den Kolloiden die Haare zu Berge. Zwischen ihnen ordneten sich zudem Moleküle des Lösungsmittels an. Damit erhöhte sich die Dichte des Alkylpelzes. In der Folge verstärkte sich die van-der-Waals Kraft zwischen den Teilchen - einer im Vergleich zur Atombindung recht schwachen anziehenden Kraft zwischen Molekülen, aber auch größeren Partikeln. Die Kraft ist aber immerhin so stark, dass die Partikel aneinander kleben bleiben, wenn sie zufällig zusammenstoßen. Dieser Prozess zog sich über mehrere Tage - und damit länger als bislang vermutet.

Abb.2: Ob Gel oder Suspension - die Haare machen den Unterschied: Das linke Bild zeigt ein Gel bei Raumtemperatur (20 Grad Celsius). Die Partikel liegen dicht beieinander, die Alkylketten ihrer Oberflächen und die Moleküle des Lösungsmittels liegen geordnet aneinander. Bei 55 Grad Celsius liegen die Kolloide als Suspension vor, ihre Alkylketten stehen wirr ab. (Bild: Sylvie Roke / Max-Planck-Institut für Metallforschung)

Forscher hatten bereits seit längerem einen Zusammenhang zwischen der Struktur der Oberfläche, in diesem Fall dem Verhalten der Alkylketten, und solchen Phasenübergängen in kolloidalen Systemen vermutet. Doch es gab bislang keine direkte Methode, diesen Zusammenhang zu untersuchen. Die Max-Planck-Wissenschaftler entwickelten deshalb die neue Technologie "Vibrational sum frequency scattering" (Schwingungs-Summenfrequenzerzeugung), welche die Molekülschwingungen auf den Oberflächen der Kolloide misst. "Mit unserer Beobachtungsmethode können wir nun Moleküle an den verborgenen Partikeloberflächen beobachten, indem wir ihre Struktur und Orientierung bestimmen und gleichzeitig Partikelgröße- und form untersuchen", sagt Dr. Sylvie Roke, die diese Technik während ihrer Promotion entwickelt hat.

Quelle: MPG / [MAY / PH]

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Sylvie Roke, Otto Berg, Johan Buitenhuis, Alfons van Blaaderen und Mischa Bonn, Surface molecular view of colloidal gelation, PNAS 103, 13310 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0606116103
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de
• Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart:
  http://www.mf.mpg.de
• FOM - Institute for Atomic and Molecular Physics, Amsterdam:
  http://www.amolf.nl