Genau kontrolliert: Nanowerkstoffe aus Polymeren

In der Natur ordnen sich Fettmoleküle oder Tenside von selbst zu winzigen Klümpchen zusammen. Diese so genannten Micellen lassen sich auch im Labor aus Kunststoffmolekülen nachbauen.

Toronto (Kanada)/Newark (USA) - Eine amerikanische und eine britisch-kanadische Forschergruppe fanden nun unabhängig voneinander geschickte Syntheseverfahren für solche maßgeschneiderten Copolymere. Ihre Ergebnisse, die zu völlig neuen Nanomaterialien und sogar Nanowerkzeugen führen könnten, präsentieren sie in der Zeitschrift "Science".

Auf der Basis von Polystyrol-Molekülen fertigten Honggang Cui und seine Kollegen von der University of Delaware in Newark langkettige, zylindrische Nano-Blockcopolymere. Vielmehr überließen sie die Synthese eigentlich den Molekülen selbst. Denn nur über die Zufuhr von Ausgangsstoffen und den Versuchsbedingungen in einer flüssigen Mischung beeinflussten sie das Wachstum der einige hundert Nanometer langen Ketten. Durch gegenseitig abstoßend und anziehend wirkende Kräfte lagerten sich die Polymerbestandteile selbstorganisiert zu den zylindrischen Nanostrukturen zusammen.

Cui und sein Team kombinierten zusätzlich organische Ausgangsstoffe mit anorganischen. Beispielsweise hefteten sie Nanopartikel aus Gold an ihre einige hundert Nanometer langen Supermicellen an. Damit erscheint es möglich, Nanokomposite mit den gewünschten physikalischen und chemischen Eigenschaften maßzuschneidern. "Diese Vielfalt macht die Micellen attraktiv für Anwendungen vom Wirkstofftransport, über Kosmetik bis hin zur Nanolithographie", beurteilt Marc A. Hillmyer von der University of Minnesota diese Ergebnisse in einem begleitenden Kommentar.

Das sich selbst organisierende Wachstum von zylindrischen Copolymeren konnten auch Mitchell A. Winnik und seine Kollegen von den Universitäten in Toronto und Bristol gut beeinflussen. Sie kombinierten Polyisopren- und spezielle Polysiloxan-Moleküle ebenfalls zu Micellen-Ketten von bis zu zwei Mikrometern Länge und wenigen Nanometern Durchmesser. Das Wachstum ließ sich dabei direkt durch die Menge der zugegebenen Substanzen kontrollieren. Selbst wenn nach Abschluss einer Synthese diese Ausgangsstoffe abermals der Lösung zugefügt wurden, setzte das Wachstum wieder ein.

Dieses nasschemische Herstellungsverfahren bietet einen großen Vorteil über die komplizierte Anordnung von Nanostrukturen mit den Spitzen von Rasterkraftmikroskopen. Es geht einfacher und schneller. Werden nun die Kontrollmethoden weiter verfeinert, locken eine Vielzahl neuer Polymerstrukturen, die an die jeweiligen Anwendungen in der Medizintechnik oder für die Anordnung von effizienten Nanokatalysatoren und vielleicht sogar Nanoschaltkreisen angepasst werden können. Ihnen könnte eine wichtige Rolle als Werkzeug für den Aufbau komplexer Strukturen aus einzelnen Molekülen und Nanoteilchen zukommen.