02.11.2020

Vielseitige molekulare Bürsten

Neutronen-Kleinwinkelstreuung macht interessante Strukturveränderungen sichtbar.

Sie sehen aus wie mikroskopisch kleine Flaschenbürsten: Polymere mit einem Rückgrat und Büscheln von Seiten­armen. Dieses molekulare Design verleiht ihnen ungewöhnliche Fähigkeiten: Sie können beispiels­weise Wirkstoffe binden und bei einer Temperatur­änderung wieder freisetzen. Mit Hilfe von Neutronen­strahlen ist es nun einem Forschungs­team der Technischen Universität München (TUM) gelungen, die Veränderungen der inneren Struktur, die sich dabei vollzieht, sichtbar zu machen. 
 

Abb.: Thermo­responsive „molekulare Bürsten“ mit Seiten­ketten in...
Abb.: Thermo­responsive „molekulare Bürsten“ mit Seiten­ketten in wässriger Lösung (Bild: R. Müller / TUM)

„Mit klassischen optischen Verfahren lässt sich die Struktur der nur nanometerkleinen Flaschen­bürsten-Polymere nicht untersuchen: Man kann zwar sehen, dass eine wässrige Lösung, die diese Polymere enthält, bei einer bestimmten Temperatur trübe wird. Aber warum das so ist, und wie sich das Rückgrat und die Seiten­arme im Wasser ausstrecken oder zusammen­ziehen, war bisher ungeklärt“, berichtet Christine Papadakis.

Dass Wissenschaftler gerne mehr über das Innenleben der Flaschen­bürsten-Polymere wüssten, hat einen einfachen Grund: Die puscheligen Moleküle, die aus verschieden­artigen Polymerketten bestehen und bei einer bestimmten Temperatur schlagartig ihre Wasserlöslichkeit ändern, sind aussichts­reiche Kandidaten für eine Vielzahl von Anwendungen. Beispielsweise könnten sie als Katalysatoren zur Beschleunigung chemischer Reaktionen dienen, als molekulare Schalter, um winzige Ventile zu öffnen oder zu schließen oder als Transportmedium für medizinische Wirkstoffe – so könnten die molekularen Bürsten Pharmazeutika zu einem Entzündungs­herd bringen, und, weil dort die Temperatur erhöht ist, sie direkt am Einsatzort freisetzen.

Die Grundvoraussetzung für eine Nutzung der Bürsten-Moleküle ist allerdings, dass sich ihr Verhalten programmieren lässt: Theoretisch können Chemiker durch die Kombination von wasserlöslichen und wasser­unlöslichen Bausteinen genau festlegen, bei welcher Temperatur die Polymere verklumpen und eine Flüssigkeit, in der sie gerade noch gelöst waren, trübe wird. 

„In der Praxis muss man aber genau wissen, wie und unter welchen Bedingungen sich die Struktur der Polymere ändert, wenn man smarte Bürsten-Moleküle designen will“, erläutert Papadakis. Zusammen mit ihrem Team im Fachgebiet Physik weicher Materie der TU München konnte sie jetzt erstmals die Veränderungen sichtbar machen, die Flaschenbürsten-Polymere mit Armen aus zwei unterschiedlichen Baustein-Typen durchlaufen, wenn die Temperatur den Trübungspunkt erreicht. 

Die Wissenschaftler nutzten dafür Neutronen­strahlung der Forschungs-Neutronen­quelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) auf dem Campus Garching in einer speziellen Messanlage für Neutronen-Klein­winkel­streuung, die vom Forschungs­zentrum Jülich betrieben wird. Diese ist für die Untersuchung besonders gut geeignet, weil Neutronen elektrisch neutral sind und daher in die Materie eindringen. Dort werden sie von den Atomkernen gestreut. Die Bilder der Bürsten-Moleküle, die so entstehen, sind aussage­kräftiger als Röntgen­aufnahmen und detaillierter als Raster­elektronen­mikroskop-Darstellungen. Die thermoresponsiven Bürsten-Moleküle, die Papadakis‘ Team untersucht hat, wurden von Kollegen der National Hellenic Research Foundation in Griechenland beziehungsweise der Technischen Universität Dresden synthetisiert. 

Im ersten Schritt wurden die Proben in Wasser gelöst, dann schrittweise bis zum Trübungs­punkt erwärmt und mit Neutronen bestrahlt. Aus der gestreuten Strahlung konnten die Forscher auf die strukturellen Veränderungen zurückschließen. Je nach Aufbau der Polymere fand schon vor Erreichen des Trübungs­punktes eine Abspaltung von Wasser-Molekülen statt. Am Trübungs­punkt selbst kollabierte dann die Molekülstruktur. Übrig blieben wasser­unlösliche Polymer-Knäuel, die je nach Restwassergehalt lose oder kompakte Cluster bildeten. „Die Ergebnisse werden dabei helfen, praxistaugliche Flaschen­bürsten-Polymere zu entwickeln“, davon ist die Physikerin überzeugt. „Wenn man genau weiß, wie sich die Polymere am Trübungs­punkt verändern, kann man ihren chemischen Aufbau für verschiedene Anwendungen optimieren.“ 

TUM / DE

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