13.04.2018
Strukturelle Vorgänge in einem adaptiven Hydrogel analysiert
Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen konnten mithilfe von Röntgenstreuexperimenten und Computersimulationen die Größen- und Strukturänderungen des Hydrogels als Reaktion auf äußere Reize zeigen. Die Ergebnisse könnten neue Anwendungen in der Technik und Medizin ermöglichen.
Adaptive Polymere sind Makromoleküle, deren Struktur sich an äußere Reize anpasst, etwa Temperatur, pH-Wert oder die Aufnahme und Abgabe von Molekülen. Eine besondere Art dieser oft als intelligente Materialien bezeichneten Polymere sind Hydrogele, da sie die Herstellung von reaktionsfähigen Materialien in natürlichen biologischen Umgebungen ermöglichen. "Typischerweise bewirkt ein äußerer Reiz eine Volumenänderung des Hydrogels, die mit Veränderungen anderer physikalischer Eigenschaften einhergeht, etwa optischer und mechanischer Art", erklärt der Jülicher Biophysiker Roland Winkler. "So werden Hydrogele unter anderem in der Kleinrobotik eingesetzt, oder - in einem biologischen Setting - zum Erkennen und Freisetzen von Wirkstoffen."
Besonders interessant sind reaktionsfähige Mikro- und Nanogele, da die geringen Entfernungen zwischen den Teilchen sehr kurze Reaktionszeiten ermöglichen. "Ihre poröse Struktur erlaubt einen schnellen Stoffaustausch", erläutert Winkler, "und damit eine sehr schnelle strukturelle Anpassung an die Umgebung." Die Anpassung der Mikrogelstruktur beinhaltet einen einzigartigen Übergang von einem flexiblen, makromolekularen Netzwerk zu einem gallertartigen Teilchen mit homogener Dichte und scharfer Oberfläche.
Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen, zusammen mit Kollegen aus Frankreich und Dänemark, gelang es erstmals, die strukturelle Entwicklung während des Übergangs von Mikrogel zu Teilchen zu bestimmen. Mithilfe von zeitaufgelösten Kleinwinkel-Röntgenstreuexperimenten und Computersimulationen zeigten sie einen zweistufigen Prozess: In einem ersten, sehr schnellen Schritt werden an der Peripherie kollabierte Cluster gebildet, die zu einer Zwischenstruktur in Form einer hohlen Kernschale führen. Diese wandelt sich dann in der zweiten Phase langsam in eine Kugel um.
"Die strukturelle Veränderung ist unabhängig von der Art des Reizes: Sie gilt daher sowohl für sehr schnelle Übergänge - etwa bei einem Temperatursprung - ebenso wie für langsamere Reize", erklärt Winkler. "Die schnellen Größen- und Formänderungen bieten einzigartige Möglichkeiten für unterschiedliche Anwendungen, etwa bei der Katalyse, Sensorik oder der Aufnahme von Medikamenten."
Quelle: Forschungszentrum Jülich