Vom Mikrogel zum Teilchen
Jülich / Aachen, 11. April 2018 – Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen konnten erstmals die strukturellen Vorgänge in einem adaptiven Hydrogel bestimmen. Mithilfe von Röntgenstreuexperimenten und Computersimulationen zeigten sie die Größen- und Strukturänderungen des Hydrogels als Reaktion auf äußere Reize. 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."
Originalpublikation:
"Time-resolved structural evolution during the collapse of responsive hydrogels: The microgel-to-particle transition"
Rico Keidel, Ali Ghavami, Dersy M. Lugo, Gudrun Lotze, Otto Virtanen, Peter Beumers, Jan Skov Pedersen, Andre Bardow, Roland G. Winkler, Walter Richtering
Science Advances, 06 Apr 2018, Vol. 4, no. 4, eaao7086, DOI: 10.1126/sciadv.aao7086
Weitere Informationen:
Welt der Physik: Ein Kollaps in zwei Stufen - Interview mit Walter Richtering, RWTH Aachen
Ansprechpartner:
Prof. Roland G. Winkler
Institute of Complex Systems / Institute for Advanced Simulation
Theorie der Weichen Materie und Biophysik (ICS-2 / IAS-2)
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