Kunststoff-News Jetzt kommt neue Ordnung in die Polymerkette

Kunststoff-Makromoleküle haben im Vergleich zu natürlichen Proteinen meist keinen geordneten Aufbau. Jetzt gibt es aber ein Polymer, das sich in gefaltete und ungefaltete Bereiche auflösen lässt.

Natürliche Proteine, also Eiweiße, bestehen wie Kunststoffe langen molekularen Ketten (Makromolekülen), die sich falten oder schrauben können, oder ein ungeordnetes Knäuel bilden. Diese unterschiedlichen Domänen machen die Funktion des Proteins aus. Was die Natur kann, sei aber nicht so einfach im Labor nachzubauen. Kettenartige Makromoleküle, welche die Kunststoffe, sprich Polymere, charakterisieren, sind nämlich schwierig in eine andere räumliche Faltung als in eine ungeordnete Ansammlung derselben zu bewegen, sagen die Forschenden.

Jetzt aber wurde durch Bestrahlung mit UV-Licht erreicht, dass dem betreffenden Polymer gefaltete (geordnete) und ungefaltete (ungeordnete) Bereiche gegeben werden können. Damit sollen sich neue Möglichkeiten für die Entwicklung weicher Funktionsmaterialien eröffnen, heißt es in der Zeitschrift Angewandte Chemie.

Kunststoffe noch nach der Polymerisation manipulieren

Für eine besondere Klasse von Kunststoffen, den supramolekularen Polymeren, hat das Forschungsteam unter Leitung von Shiki Yagai von der Chiba University in Japan und Giovanni M. Pavan vom Politecnico di Torino in Italien das differenzierende Faltungssystem entdeckt. In supramolekularen Polymeren halten die Kettenglieder (die Monomere) nämlich nicht durch direkte chemische Bindungen, sondern durch elektrostatische oder andere nicht bindende Kräfte zusammen. Das bringt neue, wie es heißt,bemerkenswerte Möglichkeiten, um Polymere noch nach ihrer Entstehung zu manipulieren.

Die Wissenschaftler bauen dazu ein supramolekulares Polymer aus stäbchenartigen Molekülen auf, die sich zu 6-gliedrigen Rosetten zusammenlagern. Diese Rosetten stapeln sich zu einer unendlich langen Kette – das ergibt das supramolekulare Polymer. Eine zusätzliche Krümmung entlang des Rosettenstapels brachte diese Nanofaser dazu, sich zu einer langen, wendelförmigen Struktur zu verdrillen – zu einer Helix. Diese Helixstruktur kann mithilfe eines „Lichtschalters“ wieder entfernt werden: Durch UV-Licht-Bestrahlung knickten die Monomere nämlich ein, was die Krümmung verringert und die Helixfaltung auflöst.

Damit sich aber nicht gleich das ganze Polymer gleichmäßig entfaltet, haben die Forschenden einen weiteren Schalter eingebaut, der sicht thermisch beeinflussen lässt, heißt es weiter. So bleibt mit einem steiferen Monomer die Krümmung der Polymerkette erhalten. Beim Erwärmen jedoch, stellt sich ein Zustand ein, in dem das Polymer sehr differenziert auf die UV-Bestrahlung reagiert, wobei es sich ungleichmäßig, auf kooperative Art und Weise entfaltet.

Neue Funktionswerkstoffe aus der Nano-Welt

Dabei entfaltete sich das Polymer blockweise. Wie man feststellen konnte, werden die helikalen Blöcke bei Bestrahlung in der Wärme immer kürzer, bis schließlich alles als ungeordnetes Knäuel vorliegt. Den Entfaltungsmechanismus bestätigten auch Computersimulationen. Den Experten zufolge zeigen die Ergebnisse dieser molekularen Modellierung, wie sich die gesamte supramolekulare Polymerkette infolge einer Isomerisierung in den mehr oder weniger ungeordneten Domänen auftrennt – also entweder in gefaltete oder ungefaltete Bereiche.

Solche geordneten Blöcke könnten mit weiteren Funktionen belegt werden oder unterschiedlich mit der Umgebung interagieren, sind sich die Wissenschaftler sicher. Das biete eine neue Möglichkeit der Nanofabrikation von weichen Funktionsmaterialien.

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