Das Forschungsteam um Prof. Dr. Alex Plajer, Makromolekulare Chemie der Universität Bayreuth, hat erstmals ein Fasersystem mit hierarchischer Ordnung und gezielter Bündelung in einem vollständig synthetischen System in Wasser nachgebildet. Ausgangspunkt ist ein zinkhaltiges flaches Molekül, das mit einem temperaturempfindlichen Polymer verknüpft wurde. In verdünnter wässriger Lösung ordnen sich die Bausteine spontan zu Nanofasern an. Dabei werden Wassermoleküle selbst als strukturbildende Bestandteile in die Nanofasern eingebaut, anstatt lediglich als Lösungsmittel zu dienen. Wird die Temperatur über 32 °C erhöht, bündeln sich die zunächst voneinander unabhängigen Nanofasern zu mikrometergroßen Strukturen. Dieselbe Bündelung kann auch durch eine Veränderung der Salzkonzentration oder der Lösungsmittelzusammensetzung ausgelöst werden. Durch Umkehrung des jeweiligen Reizes (etwa durch Absenken der Temperatur oder Anpassung der Salz- beziehungsweise Lösungsmittelkonzentration) lösen sich die Bündel wieder auf. Der Prozess ist somit vollständig reversibel.
Entscheidend ist: Genau wie im Zellskelett schützt diese höhergeordnete Organisation die eigentlich fragilen Bausteine. Während sich einzelne Nanofasern bei Verdünnung, saurem Milieu oder chemischem Angriff rasch auflösen, bleiben gebündelte Fasern hingegen stabil. „Wir konnten sogar zeigen, dass sich die Fasern selektiv schützen lassen. In einer Mischung aus gebündelten und ungeschützten Fasern überleben ausschließlich die bündelungsfähigen Fasern, während die anderen zerfallen. Dieses Verhalten erinnert an die selektive Kompartimentierung in Zellen, bei der verschiedene abgegrenzte Bereiche oder Organelle innerhalb der Zelle entstehen“, erklärt Merlin Stühler, Erstautor der Studie und Doktorand von Alex Plajer.
Besonders eindrücklich zeigte sich dieses Prinzip in einem außergewöhnlichen Experiment: Durch Bestrahlung mit UV-Licht erwärmt sich der Zink-Komplex selbst photothermisch und hält die Fasern so lange in ihrem geschützten, gebündelten Zustand, wie die Lichtenergie zugeführt wird. Sobald die Bestrahlung endet, lösen sich die Bündel wieder auf und die Bausteine zerfallen in saurer Umgebung. „Damit haben wir eine Analogie zu Mechanismen geschaffen, wie sie etwa säureresistente Bakterien nutzen, die aktiv Energie aufwenden, um unter widrigen Bedingungen ihr inneres Gleichgewicht zu halten“, erläutert Merlin Stühler. „Unser System überlebt buchstäblich nur, solange es mit Energie versorgt wird. Es befindet sich dabei in einem Zustand fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht, wie ihn auch biologische Systeme kennen.“
Die hierarchische Bündelung wirkt sich nicht nur auf die Stabilität der Fasern aus, sondern lässt sich auch mit dem bloßen Auge beobachten: Bereits ab einer rund 200-fach geringeren Konzentration als bei vergleichbaren Polymersystemen bilden die Fasern beim Erwärmen ein Hydrogel, das beim Abkühlen wieder verflüssigt. Die Gelierung kann dabei durch Lichteinstrahlung ausgelöst werden, während sich die Gelierungstemperatur zugleich über Salzkonzentration oder Lösungsmittelzusammensetzung steuern lässt. Selbst als Gel bleiben die Bausteine hierbei vor Säure und chemischen Angriffen geschützt.
„Über den grundlegenden Erkenntnisgewinn zur Übertragbarkeit biologischer Organisationsprinzipien auf synthetische Systeme hinaus sehen wir konkretes Anwendungspotenzial für unser Material. Die reversible, mehrfach stimulierbare Gelbildung bei vergleichsweise geringem Materialbedarf macht das System etwa für den 3D-Druck interessant, wo es als wiederverwertbares, „schaltbares“ Druckharz dienen könnte“, schließt Prof. Plajer. Auch für Sensorik und Optoelektronik, etwa durch die lichtabhängigen photophysikalischen Eigenschaften des zinkhaltigen Bausteins, sowie für die Entwicklung robusterer, intelligenter Materialien in Nano- und Biotechnologie liefert die Arbeit eine neuartige Designstrategie.
