Das selbstorganisierte Verknüpfen von Polymerfäden, also extrem langen Molekülen, zu zweidimensionalen Geweben ist eine der großen Herausforderungen der Polymerchemie. Mithilfe eines Bottom-up-Prozesses, der kleinere Moleküle, Monomere, in geeigneter Weise verknüpft, sind am KIT Wissenschaftler des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) sowie des Instituts für Nanotechnologie (INT) diesem Ziel nun einen wesentlichen Schritt näher gekommen: Sie fertigten Gewebe aus monomolekularen Polymerfäden, wobei ihnen SURMOFs – auf Oberflächen verankerte metallorganische Gerüste – sozusagen als Webstühle dienten.
Abb.: Das metallorganische Gerüst ist sandwichartig aufgebaut (a). In einer aktiven Schicht, eingebettet zwischen Opferschichten, wird die molekulare Textilie (b) gewebt. (Bild: KIT)
Die am IFG des KIT entwickelten SURMOFs (Surface Mounted Metal-Organic Frameworks) sind Gerüste aus metallischen Knotenpunkten und organischen Verbindungselementen, die Schicht für Schicht auf einem Substrat aufgebaut werden. Sie haben eine kristalline Struktur und lassen sich durch die Kombination verschiedener Materialien sowie die Variation der Porengröße für unterschiedliche Anwendungen maßschneidern.
Um die SURMOFs zum Weben zweidimensionaler Textilien einzusetzen, bauten die Karlsruher Forscher in die einzelnen SURMOF-Schichten spezielle Verbindungselemente ein: Vierarmige Monomere, die alle exakt auf eine spätere Verknüpfung ausgerichtet sind. Die Wissenschaftler fügten diese aktiven SURMOF-Schichten zwischen sogenannten Opferschichten ein. „So erreichten wir einen sandwichartigen Aufbau, der gewährleistet, dass die hergestellten Gewebe tatsächlich zweidimensional, das heißt nur eine Moleküllage dick sind“, berichtet Christof Wöll, Leiter des IFG.
Die Forscher führten in den aktiven SURMOF-Schichten mithilfe eines Katalysators eine Reaktion zur Verknüpfung der Monomere zu Polymeren herbei. Anschließend lösten sie die metallischen Knotenpunkte einfach heraus. Übrig blieben flache Gewebe aus monomolekularen Polymerfäden. „Die Polymerfäden werden untereinander ausschließlich von den durch das Webmuster bedingten mechanischen Kräften zusammengehalten“, erklärt Marcel Mayor. „Damit sind die molekularen Gewebe ebenso flexibel wie die auf herkömmliche Weise gefertigten Textilien.“
KIT / DE
