Programmierte Nanopartikel organisieren sich zu hochkomplexen Strukturen

06.11.2013

Zellen von Pflanzen und Tieren sind ein prominentes Beispiel dafür, wie die Natur – ausgehend von kleinen Bausteinen – in einer zielgerichteten, vorprogrammierten Weise immer größere Einheiten aufbaut. Die Nanotechnologie versucht dieses „Bottom-up“-Prinzip zu kopieren, indem sie die Fähigkeit von Nanopartikeln zur selbständigen Strukturbildung nutzt. Ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mit Dr. Andreas Walther vom DWI an der RWTH Aachen - Institute for Interactive Materials Research, Prof. Dr. Axel Müller der Universität Bayreuth (jetzt an der Universität Mainz) sowie den Universitäten in Jena und Helsinki veröffentlichte in der Fachzeitschrift „Nature“ ein neuartiges Prinzip zum Aufbau hochkomplexer Nanostrukturen. Als Grundlage dafür dienen wenige Nanometer große Partikel, die sich – ähnlich dem LEGO-Prinzip – passgenau kombinieren lassen. Die Erkenntnisse der Wissenschaftler ermöglichen die Herstellung völlig neuer, funktionaler Nanostrukturen und sind wegweisend für die weitere Forschung auf diesem Gebiet. 

 

Ausgangspunkt sind kettenartige Makromoleküle mit einer Größe zwischen zehn und 20 Nanometern, „Triblock-Terpolymere“ genannt. Diese bestehen aus drei miteinander verbundenen Abschnitten, so genannten Blöcken. Die Forschungsgruppe konnte diese dreiteiligen Makromoleküle dazu veranlassen, sich zu Nanopartikeln mit einem Durchmesser von rund 50 Nanometern zusammenzuschließen. Dieses Verfahren wurde auf zwei Sorten von „Triblock-Terpolymeren“ mit unterschiedlicher chemischer Beschaffenheit der mittleren Blöcke angewendet: „A – B – C“ und „A – D – C“. Erstere bilden Nanopartikel mit nur einer Bindungsstelle und tendieren dazu, sich zu kugelartigen Überstrukturen zusammenfinden; letztere bilden Nanopartikel mit zwei Bindungsstellen und sind dementsprechend geneigt, sich in kettenartigen Überstrukturen zu organisieren. Entscheidend ist dabei: In beiden Fällen ist die Struktur der Nanopartikel durch die Synthese der zugrunde liegenden Makromoleküle vorprogrammiert, ähnlich wie die Struktur eines Proteins durch die Abfolge der Aminosäuren vorherbestimmt wird.

Die unterschiedlich strukturierten Nanopartikel wurden so kombiniert, dass sie gemeinsam – in einem Prozess der Co-Aggregation – eine völlig neue Überstruktur bilden. Darin wechseln sich Nanopartikel, die aus Molekülen mit der Struktur „A – B – C“ hervorgegangen sind, und Nanopartikel, die sich aus Molekülen mit der Struktur „A – D – C“ gebildet haben, in einer exakt definierten Weise ab. Die neue übergeordnete Struktur hat, wenn sie mit dem Elektronenmikroskop sichtbar gemacht wird, starke Ähnlichkeit mit einer farbenprächtigen Schmetterlingsraupe.

Der vorgestellte Ansatz eröffnet weitreichende Zukunftsperspektiven. Besonders attraktiv ist dabei die Vielzahl der Makromoleküle, die als Grundbausteine in Frage kommen. Sie können dazu dienen, bestimmte Funktionalitäten gezielt in die angestrebten Großstrukturen einzuschleusen, beispielsweise die Sensibilität für Einflüsse aus der Umgebung wie Temperatur, Licht, elektrische und magnetische Felder oder die Schaltbarkeit. Denkbare Anwendungen sind die Nanostrukturierung oder die zielgerichtete Medikamentenfreisetzung.

„Unsere Arbeit zeigt, wie weit mittlerweile das Verständnis in der weichen Nanotechnologie fortgeschritten ist, um enorm komplexe Verbände durch molekulare Programmierung zu erzeugen“, so Andreas Walther. Er erklärt das nächste große Ziel: „Die Natur organisiert ihre Materie nicht nur räumlich, sondern auch in zeitlicher Abhängigkeit. Wir sind in der Programmierung der räumlichen Organisation schon
außerordentlich weit fortgeschritten. Bis jetzt fehlen uns allerdings die Möglichkeiten, um auch eine effiziente zeitliche Kontrolle zu realisieren. Dies stellt eine der Aufgaben dar, welcher wir uns am DWI stellen.“

Veröffentlichung:

André H. Gröschel, Andreas Walther, Tina I. Löbling, Felix H. Schacher, Holger Schmalz, Axel H.E. Müller, „Guided Hierarchical Co-Assembly of Soft Patchy Nanoparticles“, in: Nature, DOI: 10.1038/nature12610