Hermann Staudinger war zwar Pazifist, doch diese eine Schlacht wollte er unbedingt gewinnen. Der deutsche Chemiker stellte 1920 die Hypothese auf, dass Polymere – eine umfangreiche Stoffklasse, zu der unter anderem Gummi und Zellulose gehören – aus langen Ketten von identischen kleinen Molekülen bestehen, zusammengehalten durch starke chemische Bindungen. Die meisten seiner Kollegen hielten das für groben Unsinn. Sie sahen in Polymeren nur lockere Ansammlungen kleiner Moleküle. Staudinger gab nicht nach und entfachte so einen Konflikt, der ein Jahrzehnt andauern sollte.

Labordaten zeigten schließlich, dass Staudinger Recht hatte; 1953 erhielt er für seine Arbeiten den Chemienobelpreis. Inzwischen sind synthetische Polymere allgegenwärtig: Im vergangenen Jahr wurden weltweit etwa 300 Millionen Tonnen davon produziert. Die Molekülketten, die Staudinger postulierte, finden sich heute in nahezu allen Bereichen des modernen Lebens – von Kleidung, Farben und Verpackungen bis hin zu 3-D-Druck, selbstheilenden Materialien und zielgenauem Wirkstofftransport ins Gewebe. Auf Polymeren basierende Verbundwerkstoffe machen sogar die Hälfte des Gewichts einer Boeing 787 aus.

Fortschritte in allen Bereichen der Polymerwissenschaft treiben diese Entwicklung voran, so Polymerchemiker Tim Lodge von der University of Minnesota in Minneapolis und Chefredakteur der Zeitschrift "Macromolecules". Wissenschaftler entwickelten neue Verfahren, um Moleküle künstlich herzustellen und zu analysieren, verbesserten theoretische Modelle und bildeten in der Natur vorkommende Polymere nach. "Der allgemeine Trend ist nach wie vor, dass Polymere neue Anwendungsbereiche erschließen." Gleichzeitig, so Lodge, habe sich die Sichtweise auf dieses Fachgebiet verändert. Universitäten lehnen die Polymerwissenschaft nicht mehr als zu schmutzig, anwendungsorientiert und industrienah für die akademische Welt ab. "An so gut wie jedem Chemieinstitut beschäftigt sich inzwischen jemand mit Polymeren", berichtet Lodge. Die führende Polymerforschung sei zunehmend interdisziplinär.

Und das ist künftig auch notwendig. Den Wissenschaftlern stehen zwar immer mehr Techniken zur Verfügung, um die chemische Struktur von Polymersträngen gezielt zu beeinflussen. Doch ob die maßgeschneiderte Verbindung letztlich auch die gewünschten Eigenschaften aufweist – etwa um als Membran oder System zur Abgabe von Arzneimitteln zu fungieren –, lässt sich oft nicht vorhersagen. Dazu müssen Forscher zunächst viel besser verstehen, wie die chemische Struktur eines Polymers mit seinen physikalischen Eigenschaften zusammenhängt – in jeder Größenordnung von Nanometern bis hin zu Metern.

Biologisch abbaubare Kunststoffe

Polymere sind überall – und genau darin liegt das Problem. "Die meisten Polymere in unserem Alltag basieren auf Erdöl. Bei ihrer Nutzung sind sie sehr beständig, aber eben auch als Müll", sagt Marc Hillmyer, Direktor am Center for Sustainable Polymers (CSP) an der University of Minnesota. Schätzungsweise 86 Prozent aller Kunststoffverpackungen werden nur einmal verwendet, bevor sie in den Müll wandern. Dadurch entstehen Unmengen an Plastikabfall, die nicht nur auf Deponien landen, sondern auch in der Umwelt.

Infolgedessen stieg das Interesse an Polymeren, die sich aus nachwachsenden Rohstoffen herstellen lassen und zudem biologisch abbaubar sind, in den vergangenen zehn Jahren explosionsartig an. Polymere auf der Basis natürlicher Stärke sind bereits auf dem Markt; ebenso synthetisches Polylactid (PLA) – hergestellt aus Lactid oder Milchsäure aus biologischen Quellen –, das sich in Produkten von Teebeuteln bis hin zu medizinischen Implantaten findet.

Solche umweltverträglichen Polymere machen immer noch weniger als zehn Prozent des gesamten Kunststoffmarkts aus, weiß Hillmyer. Eine Hürde sind die hohen Kosten. Ein weiterer Grund: Die Monomerbausteine der natürlichen Polymere enthalten meist mehr Sauerstoffatome als die fossilen Kohlenwasserstoffe aus Erdöl. Dies macht das Material steifer und wirkt sich auch auf andere Eigenschaften aus. Dadurch ist es schwerer, kostengünstige Kunststoffe wie Polyethylen und Polypropylen direkt zu ersetzen.

In einem alternativen Ansatz mischt man nachhaltige Polymere, wie etwa PLA, mit herkömmlichen Polymeren, um deren Eigenschaften zu verbessern. Dieses Vorgehen bringt jedoch Nachteile mit sich – einige Kunststoffe sind dadurch beispielsweise weniger durchsichtig. Dieses Problem haben CSP-Forscher allerdings in den Griff bekommen: durch Zugabe von nur fünf Prozent eines kostengünstigen und aus Erdöl gewonnenen Polymers, das sich sowohl aus hydrophoben, also wasserunlöslichen, als auch aus hydrophilen, wasserlöslichen, Abschnitten zusammensetzt. Die untergemischten Polymere verbinden sich zu sphärischen Strukturen, die PLA wesentlich robuster machen, ohne seine Transparenz herabzusetzen.

Das Team um Hillmyer entwickelte auch einen teilweise wiederverwertbaren Polyurethanschaum. Solche Schäume finden sich in einer Vielzahl von Produkten, wie etwa bei Wärmedämmungen, Sitzpolstern und Dichtungen. Im neu entwickelten Polyurethan ist unter anderem ein kostengünstiges Polymer namens Poly(β-methyl-δ-Valerolacton) (PMVL) enthalten, das aus Monomeren besteht, die gentechnisch veränderte Bakterien herstellten. Erhitzt man den Schaum über 200 Grad Celsius, zersetzt sich das Polyurethan, und die Monomere können extrahiert und wiederverwendet werden.

Ob sich diese nachhaltigen Polymere vermarkten lassen, bleibt abzuwarten. "Die größte Herausforderung liegt meist darin, es in bedeutendem Umfang umzusetzen, was günstige wirtschaftliche Rahmenbedingungen voraussetzt", sagt Hillmyer. Die Branche müsse allgemeine Leitprinzipien dazu formulieren, wie die chemische Struktur eines bestimmten Monomers die Geschwindigkeit, Temperatur und Ausbeute von Polymerisationsreaktionen beeinflusst – und wie die resultierenden Polymere mit anderen Materialien wechselwirken werden. Sein Team entwickelte solche Prinzipien für die Bestandteile von PMVL und gründete im vergangenen Jahr das Spin-off-Unternehmen Valerian Materials, in dem es sich dieses Wissen zu Nutze macht.

Anstatt aus der Natur gewonnene Monomere künstlich zusammenzufügen, verwenden manche Forscher lieber direkt natürliche Polymere. Aufgereihte Glukosemoleküle ergeben beispielsweise Zellulose. Diese Ketten können sich wiederum zu starken Fasern zusammenschließen und bilden so die versteiften Zellwände von Pflanzen. Die Zelluloseketten formen dabei winzige Kristalle – bis zu 20 Nanometer breit und Hunderte von Nanometern lang –, die sich chemisch aus Zellulosepulpe extrahieren lassen. Diese Kristalle könnten Verbundwerkstoffe verstärken, sich zu Isolierschaum verarbeiten lassen, medizinische Wirkstoffe transportieren oder als Gerüst für die Gewebereparatur dienen.

Nanokristalle aus Zellulose und die längeren Nanofibrillen werden inzwischen zwar im kommerziellen Maßstab hergestellt. Doch gehen die Anwendungen derzeit noch nicht weit darüber hinaus, Papier steifer zu machen oder Flüssigkeiten zu verdicken. Laut Christoph Weder, Direktor des Adolphe Merkle Instituts für Nanowissenschaften an der Université de Fribourg in der Schweiz, sei viel weitere Arbeit nötig, um die Kosten zu reduzieren und die einzigartigen Vorteile von nachhaltigen Polymeren zu demonstrieren. "Wir brauchen dringend eine Road Map für biobasierte Polymere", sagt er.

Filtermembranen für Frackingabwässer

Ein wichtiges Einsatzfeld für Polymere sind schon jetzt Membranen: Sie dienen als molekulare Siebe und separieren Gase, entsalzen Meerwasser oder halten Moleküle in Brennstoffzellen voneinander getrennt. "Es gibt zahlreiche Probleme, die sich durch bessere Membranen lösen ließen", berichtet Lodge. Stoffgemische mit ihrer Hilfe zu trennen, verbraucht deutlich weniger Energie als Destillation, für die man viel Heizenergie benötigt, und ist platzsparender als ein Gaswäscher, ein Apparat, der Schadstoffe durch chemische Reaktionen abtrennt. Polymermembranen lassen sich zudem kostengünstig im Großformat herstellen – und das, ohne Materialfehler aufzuweisen, durch die unerwünschte Moleküle hindurchgelangen.

Industriell trennt man bereits Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid aus Erdgas mit der Membrantechnik. Optimierte Membranen könnten jedoch weitaus schwierigere Aufgaben übernehmen, beispielsweise die beiden ähnlichen Kohlenwasserstoffe Propan und Propen voneinander unterscheiden. Chemisch stabilere Membranen könnten auch bei höheren Temperaturen arbeiten und etwa das Kohlenstoffdioxid aus heißen Abgasen filtern.

Der Chemiker Benny Freeman von der University of Texas in Austin hat sich zum Ziel gesetzt, die Abwässer besser aufzubereiten, die beim Fracking entstehen. Das Wasser wird ins Gestein gepresst, um kleine Risse darin zu weiten und so Erdgas freizusetzen. Es ist danach derart verschmutzt, dass gewöhnliche Filtermembranen schnell verstopfen; um das Wasser dennoch hindurchzubekommen, setzt man es unter hohen Druck. Das reduziert die Lebensdauer der Filter. Freeman umgeht dieses Problem, indem er die Membranen hauchdünn mit dem Kunststoff Polydopamin beschichtet. Tests an einer Aufbereitungsanlage für Frackingabwässer nahe Fort Worth in Texas zufolge halbiert die neue Beschichtung den erforderlichen Druck, um das Wasser durch die Membran zu pressen. Tatsächlich kommen diese Membranen bereits zum Einsatz: Die US-Marine reinigt damit auf ihren Schiffen ölhaltiges Bilgewasser, bevor es ins Meer gelangt.

Im Dezember 2015 startete die US-Administration die Initiative "Moonshot for water" für einen nachhaltigen Umgang mit Wasser. Im Rahmen dieser Bemühungen plant das Energieministerium der Vereinigten Staaten, im Jahr 2017 eine Forschungsplattform zur Meerwasserentsalzung einzurichten. Polymermembranen werden dabei eine große Rolle spielen, sagt Freeman. "Man wird sich sehr bemühen, Polymere auch auf diesem Gebiet einzusetzen."

Schematische Darstellung der Herstellung zweidimensionaler Polymerfolien
© Nature; dt. Bearbeitung: Spektrum der Wissenschaft; Peplow, M.: Fantastic Plastics. In: Nature 536, S. 266-268, 2016
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernHerstellung zweidimensionaler Polymerfolien

Damit Forscher bessere Entsalzungsmembranen entwickeln können, müssen sie wissen, wie sich verschiedene Faktoren – etwa die Verteilung von elektrisch geladenen chemischen Gruppen in einem Polymer – auf die Durchlässigkeit für Ionen auswirkt. Freeman und seine Kollegen stellten Anfang des Jahres ein Modell vor, das ihnen zufolge erstmals genau solche Vorhersagen ermöglicht. Chemiker könnten damit Membranen mit spezifischen Eigenschaften konstruieren, indem sie deren chemische Substituenten maßschneidern und die Moleküle anschließend miteinander verbinden. "Ich möchte Leute dazu bringen, sich solche Fragen über den Zusammenhang von Struktur und Eigenschaften zu stellen, die für die Synthese wesentlich sind", sagt der Wissenschaftler.

Trennmembranen könnten im Extremfall sogar nur ein Molekül dick sein. Diese 2-D-Polymere profitieren von der starken Begeisterung für einlagige Materialien, die Graphen vor rund einem Jahrzehnt hervorrief. Bei 2-D-Polymeren handelt es sich nicht einfach nur um extrem dünne Schichten aus gewöhnlichen, linearen Polymeren. Die Membranen weisen stattdessen eine zweidimensionale chemische Struktur auf, die mit ihrem regelmäßigen, sich wiederholenden Muster aus molekülgroßen Löchern an ein Fischernetz erinnert. Auf der Oberfläche der Polymere lässt sich zudem eine große Vielfalt an chemischen Bausteinen aufbringen – die Forscher können dadurch jedes Loch so gestalten, dass nur bestimmte Moleküle hindurchgelangen.

Solche 2-D-Polymere zu bauen, ist allerdings keine einfache Aufgabe. Verschließt sich nur eines der Löcher im wachsenden Polymernetz in der falschen Weise, kann sich die Membran unkontrolliert verbiegen und ist nicht mehr zweidimensional. Der Polymerchemiker Dieter Schlüter von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich knobelte mehr als ein Jahrzehnt an diesem Problem, bis er 2014 endlich einen Durchbruch erzielte.

In seinen Experimenten ordnet der Forscher zunächst maßgeschneiderte Monomere zu einem geschichteten Kristall an. Anschließend löst ein blauer Lichtpuls eine chemische Reaktion zwischen den Monomeren einer Ebene aus und erzeugt so einen Kristall aus gestapelten Polymerschichten. Diese nur ein Monomer dicken Schichten lassen sich nun einzeln abziehen.

Schlüter und Benjamin King, Leiter des Fachbereichs Chemie an der University of Nevada in Reno, haben mit diesem Ansatz unabhängig voneinander verschiedene 2-D-Polymere erzeugt. Inzwischen arbeiten die beiden zusammen und hoffen, dass sie die hauchdünnen Polymerschichten schon bald kilogrammweise herstellen und so Proben an Forschergruppen auf der ganzen Welt verteilen können. Schlüter räumt ein, dass manche den Erfolg der 2-D-Polymere anzweifeln. "Aber das ist gesund", sagt er. "Und ich bin sehr hartnäckig – ich werde nicht aufgeben, denn ich bin überzeugt vom enormen Potenzial dieser Entwicklung."

Polymere als Datenspeicher

Gängige Polymere wie Polystyrol und Polyethylen sind in einer Hinsicht ziemlich langweilig: Sie setzen sich aus einer einzigen Monomersorte zusammen, die sich einfach immer wiederholt. Dieses Muster erscheint besonders monoton, wenn man es mit dem Aufbau der DNS mit vier Monomeren oder den komplexen 3-D-Strukturen der Proteine aus 23 Aminosäuren vergleicht.

Eine der großen Herausforderungen in der Polymerforschung besteht darin, synthetische Polymere mit der Präzision der Biomoleküle herzustellen, so dass Chemiker die elektronischen und physikalischen Eigenschaften ihrer Produkte genau einstellen können. "In den vergangenen fünf Jahren ist das sehr in Mode gekommen", sagt Jean-François Lutz, der sich an der Université de Strasbourg in Frankreich mit makromolekularer Chemie beschäftigt. Polymere könnten Monomere beispielsweise in einer vorgegebenen Reihenfolge enthalten und Stränge einer ganz bestimmten Länge bilden.

Im vergangenen Jahr zeigte ein Team um den Chemiker Jeremiah Johnson vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, dass sich dieses Maß an Kontrolle durch iteratives exponentielles Wachstum erlangen lässt. Dabei werden zunächst zwei verschiedene Monomere zu einem Dimer vereint, anschließend zwei Dimere zu einem Tetramer und so weiter. Indem zwischen den einzelnen Zyklen bei jedem Monomer die chemischen Seitenketten verändert werden, lässt sich die Komplexität steigern. Ein halbautomatisches System macht den Prozess weniger aufwändig.

Wie sich diese maßgeschneiderten Polymere zur Medikamentenverabreichung einsetzen ließen, erforscht Johnson derzeit. Viele von der amerikanischen Behörde für Lebens- und Arzneimittel zugelassene Präparate verwenden ein Polymer namens Polyethylenglykol, um die Wirkstoffe vor dem körpereigenen Immunsystem zu schützen, ihre Löslichkeit zu verbessern oder sie länger im Körper zu halten. Johnson zufolge könne man die biologische Wirkung von seinen Polymeren besser vorhersagen – einerseits, weil jeder Strang dieselbe Länge und Form aufweist, andererseits, weil man ihre chemischen Eigenschaften gezielt auf die spätere Aufgabe im Körper abstimmen kann.

Die durch eine Abfolge von Monomeren bestimmten Polymere eignen sich außerdem als kostengünstiger und Platz sparender Datenspeicher: Jedes Monomer stellt dabei ein einzelnes Bit an Information dar. Im vergangenen Jahr unternahm Lutz einen wichtigen Schritt in diese Richtung. Er nutzte zwei unterschiedliche Monomersorten, um die digitalen Einsen und Nullen darzustellen, und eine dritte als Abstandshalter zwischen den beiden. Die Monomere enthielten chemische Gruppen, durch die sie sich nur an das wachsende Polymer anheften konnten – anstatt zufällig miteinander zu reagieren. Indem die Forscher schließlich das Aufbrechen des Polymers innerhalb eines Massenspektrometers analysierten, ließ sich der entstandene Strang aus Einsen und Nullen auslesen.

Mit einem Satz an verschiedenen Polymersträngen lässt sich eine 32-Bit-Nachricht kodieren, wie Lutz im August 2016 vorführte. Das Ergebnis verblasst zwar gegenüber den 1,6 Gigabits, die in künstlichen DNA-Molekülen gespeichert wurden, doch das Interesse an einer Datenspeicherung mit Polymeren nimmt zu. Im April 2016 lud eine US-Behörde – die Intelligence Advanced Research Projects Activity, kurz IARPA, die Hochrisikoforschung für die Nachrichtendienste fördert – Vertreter der Biotechnologie, Halbleiter- und Softwareindustrie zu einem Workshop zum Thema ein. "Es gibt eine aktive und wachsende Forschergemeinde, die daran arbeitet", sagt David Markowitz, der den Workshop mitorganisierte und als technischer Berater bei der IARPA tätig ist.

Der Ansatz steht jedoch immer noch vor enormen technischen Herausforderungen: Derzeitige Synthesetechniken sind viel zu langsam und teuer. Der Schlüssel, um diese Aufgabe zu bewältigen – ebenso wie viele andere Probleme in der Polymerforschung –, liegt in besseren Methoden, die Eigenschaften von Polymeren vorherzusagen und weiter an ihrer Herstellung zu feilen. Das erfordert konzertierte Anstrengungen. "Wir müssen Kooperationen mit Physikern, Materialwissenschaftlern und theoretischen Chemikern ins Leben rufen", sagt Lutz. "Wir müssen ein neues Fachgebiet aufbauen."