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Nanotechnologie: Organisiert

Stellen Sie sich vor, Ihre neu gekauften Möbel aus dem Discounter würden sich ganz von selbst aufbauen. Obwohl wir vermutlich auch weiterhin selbst Hand anlegen müssen, ist diese Vision in der Welt der Nanotechnologie schon in greifbare Nähe gerückt.
Die Natur hat uns nicht nur gelehrt, warum Lotusblüten immer sauber sind und weshalb Bäume nicht verdursten, sondern auch, wie sich diese bewährten Techniken kopieren lassen. Auf diese Weise entstehen Wandfarben, die nie verschmutzen, und Textilien, die Flüssigkeit transportieren können. Auch bei dem Aufbau von Körpergewebe wendet die Natur einen Trick an, den Nanotechnologen nur zu gerne kopieren würden: Die Bausteine von Zellmembranen müssen nicht mühsam aufeinander gesetzt werden – sie ordnen sich ganz freiwillig zur gewünschten Struktur.

Die Makromoleküle bevorzugen je nach Temperatur eine andere strukturelle Anordnung.Laden...
Die Makromoleküle bevorzugen je nach Temperatur eine andere strukturelle Anordnung. | Die Moleküle können sich zu Kugeln (A), zu Schichten (B), zu Säulen (C) oder zu Netzwerken (D) zusammenlagern. In der schematischen Abbildung sind nur ihre polaren Teile abgebildet.
Was ist nun das Besondere an solchen selbstorganisierenden Molekülen? Sie bestehen meist aus zwei miteinander verbundenen Teilen, die wenig miteinander anfangen können. Ein Teil ist unpolar und fühlt sich dementsprechend in einer unpolaren Umgebung am wohlsten, während der andere Teil des Moleküls polare Nachbarn bevorzugt. Um beide Wünsche zu erfüllen, lagern die Moleküle sich Seite an Seite wie Streichhölzer in ihrer Schachtel. Je nachdem, ob beide Molekülteile gleich oder unterschiedlich groß sind, schichten sie sich wie in einer Lasagne oder bilden zum Beispiel Röhrchen oder Kugeln.

Eine Molekülart, von der sich Nanotechniker diesbezüglich viel versprechen, sind die so genannten Dendrimere. Diese Moleküle bestehen aus einer Art Stamm, der sich baumartig verzweigt. Dabei können die "Äste" fast beliebig lang gewählt und die "Baumkronen" so ziemlich voluminös werden. Tatsächlich können sich diese Moleküle in verschiedenen Strukturen anordnen, aber Byoung-Ki Cho und seinen Kollegen von der Cornell-Universität in Ithaca war deren Auswahl noch zu eingeschränkt. Sie modifizierten Dendrimere mit sehr großen unpolaren Ästen aus Kohlenwasserstoff-Ketten, indem sie eine lange polare Kette – einen Polyether – wie eine Wurzel an deren Stamm knüpften.

Die Wissenschaftler erwärmten ihre neuartigen Makromoleküle und verfolgten über Kleinwinkel-Röntgenstreuung, wie sich diese zueinander ausrichteten. Und ihre Hoffnungen auf eine große Formenvielfalt wurde erfüllt: Je nach Temperatur reihten sich ihre Moleküle zu Säulen auf oder bildeten Kugel- und Schichtstrukturen. Besonders begeistert waren die Forscher, als sie ein schwammartiges Netzwerk entdecken konnten – eine Phase, die bei Dendrimeren bisher noch nicht bekannt war.

Anwendung könnte diese Entdeckung bei der Herstellung von elektrischen Bauteilen finden. So zeigten die Wissenschaftler, dass Lithium-Ionen nur bei Temperaturen unter 63 Grad Celsius durch eine Probe der Dendrimere wandern können. Denn der Transport der Ionen findet entlang der polaren Wurzeln der Moleküle statt, die bei diesen Temperaturen alle miteinander verknüpft sind. Stieg die Temperatur höher, wurde der elektrische Stromfluss schlagartig unterbunden. Denn nun bildeten sich Kugeln, in deren Kerne die polaren Enden der Moleküle – und damit die Ionen – eingeschlossen wurden. Somit würden sich die Makromoleküle nach Angabe der Forscher etwa als "supramolekulare Schalter" einsetzen lassen.
11.09.2004

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 11.09.2004

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