Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile
Künstliche Materialwelt folgt den Prinzipien biologischer Systeme
Biologische Materialien unterscheiden sich von künstlich hergestellten unter anderem dadurch, dass sie nicht homogen sind. Dabei sind biologische Materialien nicht chaotisch aufgebaut, sondern hierarchisch organisiert. Das hat zur Folge, dass unterschiedliche Eigenschaften zusammen wirken und ein zusätzlicher Effekt auftritt, der über die Wirkungen der einzelnen Merkmale hinausgeht. Auf dem Gebiet der künstlichen Materialwelt ist man daher sehr interessiert daran, ebenfalls hierarchisch aufgebaute Materialien zu entwickeln. Bei Hierarchien unterschiedlicher Strukturgrößen gibt es das bereits in Ansätzen. Innovativ ist die Forschung von Prof. Dr. Sebastian Polarz und seiner Arbeitsgruppe an der Universität Konstanz bei der Ausbildung von Hierarchien in der chemischen Funktionalität. Der Arbeitsgruppe Polarz ist es gelungen, nahezu beliebige chemische Gradienten in einer hoch porösen Trägersubstanz zu erzeugen, so dass diese eine „Richtung“ bekommt. Besonders interessant sind so genannte Doppelgradienten, in denen zwei Gradienten gegenläufig angeordnet sind. Im Zwischenbereich tritt dann – ähnlich wie in biologischen Systemen – eine völlig neue Eigenschaft auf. Eine großtechnische Anwendung könnte das Verfahren auch in der Chromatographie finden, um pharmazeutische Wirkstoffe effizienter voneinander zu trennen. Die Ergebnisse wurden im Wissenschaftsjournal Angewandte Chemie (International Edition, Ausgabe 54/2015) veröffentlicht.
„Die Biologie schafft es, mit Stoffen, die dafür eigentlich nicht geeignet sind, hervorragende Eigenschaften zu erzielen. Man versucht daher, die gleichen Prinzipien zu beherrschen“, erklärt Sebastian Polarz zu den Hintergründen seiner Forschung. Als Beispiel dient ihm der Aufbau von Knochen, die aus Kalziumsalzen bestehen. „Das Material selbst ist total spröde, und kein Mensch käme auf die Idee, daraus etwas Stabiles zu bauen“, sagt Polarz. Erst der strukturelle Aufbau, bei dem molekulare Merkmale mit denen auf der Nano-, Mikro- und Makroskala zusammen wirken und etwas Neues ergeben, führt dazu, dass der Knochen stabil ist.
Auch in den chemischen Eigenschaften sind Systeme des Lebens der Materialchemie voraus. Während von der biologischen Welt Hierarchien in der chemischen Funktionalität bekannt sind, ist dies in der Welt der synthetischen Materialien sehr schwer zu erreichen.
Polarz und seine Arbeitsgruppe verwenden als Trägersubstanz für Gradienten ein so genanntes Organosilikat, das hochgradig porös ist und somit eine sehr große Oberfläche aufweist. In dieses Material kann eine Vielzahl funktionaler Gruppen fest verankert werden, so dass sich nahezu beliebige chemische Gradienten erzeugen lassen, auch Doppelgradienten, die gegenläufig angelegt sind. In Doppelgradienten herrscht an jeder Stelle ein unterschiedliches Verhältnis der Komponenten zueinander, die wiederum zu anderen Merkmalen führen können. „Für die künstliche Materialchemie ist es ein Schritt vorwärts, dass man diese Gradienten und Doppelgradienten erzeugen kann, weil man jetzt danach Ausschau halten kann, wo solche zusätzlichen Eigenschaften auftreten“, erläutert Sebastian Polarz. Veranschaulicht haben die Konstanzer Chemiker das Phänomen, indem sie über Gradienten zwei entgegen gerichtete Verläufe von Fluoreszenzfarbstoffen erzeugt haben. In der mittleren Zone tritt dann eine vollkommen neue Emission auf. Dies geschieht dadurch, dass Energie zwischen den einzelnen Komponenten übertragen wird.
In der Chromatographie könnte man sich den Einsatz von Gradienten unterschiedlicher Polaritäten zunutze machen. Damit wäre es idealerweise möglich, Substanzen in einem Durchlauf zu trennen und nicht erst wie bisher in mehreren Schritten durch den Einsatz jeweils unterschiedlich polarer Lösungsmittel.
Neue Einsatzmöglichkeiten verspricht auch das Organosilikat selbst, die poröse Trägersubstanz. Aus ihr kann ein glockenförmiger Körper hergestellt werden, der einen Gradienten in der Porengröße aufweist – bisher gab es nur stufenförmige Änderungen. Damit könnte der Körper als „Ventil“ fungieren, einen gerichteten Transport vermitteln. Auch dies ist ein „Trick“, den die Natur vorgibt, wobei Gradienten in der Natur hochfunktionell sind. In der künstlichen Materialchemie gab es das bisher praktisch nicht.
Originalveröffentlichung:
A. Schachtschneider, M. Wessig, M. Spitzbarth, A. Donner, C. Fischer, Dr. M. Drescher, Prof. Dr. S. Polarz: Directional Materials – Nanoporous Organosilica Monoliths with Multiple Gradients Prepared Using Click Chemistry. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 10465-10469.
DOI: 10.1002/anie.201502878