Nanostrukturen schalten schneller

Foto: Baby in Windel

In abgewandelter Form findet man das Material mit dem Namen Poly(N-Isopropylacrylamid) auch in Windeln. Hier quillt es bei Feuchtigkeit auf und hält den Babypopo trocken – daher auch der Name „Hydrogel“. Es besteht aus kettenförmigen Molekülen, ein Polymer. Am Lehrstuhl für Technische Chemie von Professor Mathias Ulbricht können solche Polymerketten dicht an dicht an Oberflächen befestigt werden. Bei Temperaturen unter 32 Grad Celsius binden diese Schichten Wasser; die Struktur ähnelt dann einer Bürste. Steigt die Temperatur jedoch über den kritischen Punkt, fallen die winzigen Ketten zu einer kompakten Schicht zusammen.

Auf diese Weise könnte das Material beispielsweise in Ventilen kleine Öffnungen und Kanäle regulieren. Es wäre als Temperatur- oder Feuchtigkeitssensor zu verwenden, könnte kontrolliert Medikamente im Inneren des menschlichen Körpers freisetzen oder als Minischalter für viele andere Prozesse dienen. Denn mithilfe der Nanopolymere lassen sich auch miniaturisierte Strukturen realisieren, die zudem viel schneller reagieren sollten als ihre bisher verwendeten großen Brüder. Doch genau die Geschwindigkeit entpuppte sich bisher bei vielen Anwendungen als Problem: In der Theorie sollte das Nanopolymer zwar rasend schnell reagieren, aber Tests erbrachten immer wieder Reaktionszeiten im Sekundenbereich. Viel zu langsam für die Steuerung schnell ablaufender Prozesse.

Hartmann erkannte den Knackpunkt in den bisherigen Experimenten: Um die Geschwindigkeit eines Prozesses zu messen, benötigt man zum einen eine Aufnahmetechnik, die schneller ist als der Prozess selbst, und zum anderen einen Reiz, der augenblicklich für die Reaktion des Polymers sorgt. „Die Technik muss insgesamt immer dem Versuchsobjekt angepasst sein“, erklärt Hartmann. „Ansonsten sorgt sie selbst für eine verzögerte Reaktion des Materials.“ Mindestens eines dieser beiden Kriterien haben die bisher bekannten Untersuchungsverfahren jedoch nicht erfüllt.

Das Team entwickelte daher eine neue Methode: Die Forscher erhitzten das Polymer mit einem Laser. Ist dieser eingeschaltet, wird es augenblicklich heiß, im Moment des Ausschaltens ist die Hitze sofort. Die oberhalb der Probe montierte Mikroskopkamera nahm die Reaktion des Polymers dabei in vielen aufeinanderfolgenden Heiz- und Kühlphasen jeweils ein wenig zeitversetzt auf.

Die Ergebnisse ließen nur einen Schluss zu: Das Hydrogel reagiert innerhalb von Mikro- bis Millisekunden auf den Temperaturreiz. „Das allein ist schon eine völlig neue Erkenntnis“, freut sich Hartmann. „Zusätzlich konnten wir aber noch zeigen, dass das Polymer auch bei tausendfachen Wiederholungen keinerlei Schaden nimmt und somit für den Langzeiteinsatz geeignet ist.“


COMPAMED.de; Quelle: Universität Duisburg-Essen