Reizbare Kunststoffe für smarte Filter und Sensoren

Am Fachbereich Chemie werden intelligente Materialien entwickelt

05.01.2017

Zwei Arbeitsgruppen an der Technischen Universität Darmstadt entwickeln intelligente synthetische Materialien, die auf äußere Reize reagieren. Solche schaltbaren Polymere kommen als Sensoren oder intelligente Filter in Frage. Lehrmeisterin ist die Natur.

Dr.-Ing. Markus Gallei und Jun.Prof. Annette Andrieu-Brunsen. Bild: Katrin Binner

Juniorprofessorin Dr. Annette Andrieu-Brunsen vom Fachbereich Chemie funktionalisiert die nanometergroßen Poren einer Keramik-Membran mit einer ultradünnen Schicht aus schaltbaren Kunststoffen und steuert darüber den Transport von Ionen und kleinen Molekülen. Dr. Markus Gallei, Nachwuchsgruppenleiter am Ernst-Berl-Institut für Technische und Makromolekulare Chemie greift zu schaltbaren Polymeren und lässt durch Selbstorganisation photonische Kristalle und poröse Membranen entstehen, deren Gitterstrukturen und Poren im Bereich des sichtbaren Lichts liegen. Die schaltbaren Eigenschaften bestimmt er über die Wahl der Ausgangsmaterialien.

Andrieu-Brunsens Technologie-Plattform könnte für die Detektion und Entfernung von Schwermetallionen oder anderen kleinen Molekülen genutzt werden, Galleis Plattform bietet sich für die Detektion und Entfernung von Verunreinigungen aus dem Trinkwasser oder optische Sensoren an, um nur einige Beispiele zu nennen.

Wir sprachen mit beiden über die Zukunft und die Herausforderungen ihres Arbeitsgebietes.

Dr. Gallei, es gibt noch keine kostengünstigen, kommerziell erhältlichen Kunststoffmembranen mit Porengrößen von 5 bis 100 Nanometern, die auf äußere Reize reagieren. Im Moment wird damit noch hauptsächlich im Labor gearbeitet. Welche Probleme müssen noch gelöst werden, damit diese Produkte von der Industrie aufgegriffen werden?

Markus Gallei: Das Problem liegt bei den immensen Anforderungen an die Polymerisationstechnik. Wir brauchen eine einheitliche Funktionalisierung der Porenwände, damit diese einerseits offen bleiben, andererseits aber auch durch externe Reize gezielt geschaltet werden können, um Stoffe zu trennen. Das erfordert eine hohe Kontrolle über die Struktur der verwendeten Polymere. Außerdem muss das sogenannte „Fouling“ verhindert werden. Darunter versteht man die Besiedlung der Materialen mit Mikroorganismen, was in Flüssigkeiten leicht passieren kann. Es gibt inzwischen einige vielversprechende Ansätze, um das Problem zu lösen. Kritisch ist allerdings auch, dass die Polymer-Synthesen skalierbar sein müssen, um für die Industrie interessant zu sein.

Professor Andrieu-Brunsen, biologische Membranen transportieren Substanzen selektiv, in eine Richtung und wenn nötig unter Einsatz von Energie. Werden mit Kunststoff funktionalisierte, poröse Membranen je an die Leistungsfähigkeit einer biologischen Membran herankommen?

Annette Andrieu-Brunsen: Wir nutzen die Natur als eine Inspirationsquelle. Es geht um Anforderungen im Kontext, nicht um Universallösungen. Wir können den Porenzugang für bestimmte Moleküle schon zeitlich steuern, aber wir haben noch Schwierigkeiten, die Richtung des molekularen Transports durch die Mesoporen zu steuern. Dafür braucht man eine Konformationsänderung oder einen winzigen Gradienten, an dem entlang sich die Moleküle bewegen. Allerdings können synthetische poröse Systeme auch besser sein als ihre natürlichen Vorbilder, denn sie sind auch bei höheren Temperaturen und in Lösungsmitteln stabil. Von der Komplexität und der Erneuerbarkeit her gesehen, werden wir wahrscheinlich nicht an die Natur herankommen.

Dr. Gallei, glauben Sie, dass man eines Tages Computer aus optischen Materialien konstruieren wird? Kein Trägermedium transportiert Informationen schneller als Licht. Werden wir bald einen optischen Computer haben?

Gallei: Ja, allerdings steckt die Forschung dazu noch in den Kinderschuhen. Glasfasernetze werden zwar schon für ein schnelles Internet benutzt, aber Licht kann nicht gezielt gesteuert oder um die Ecke gelenkt werden. Mit den derzeitigen Materialien würde ein Teil der Information unweigerlich verloren gehen. Wir müssen daher erst neue schaltbare Materialien mit einer nahezu perfekten räumlichen Anordnung der Komponenten entwerfen, um ernsthaft an einem optischen Computer arbeiten zu können. Wir verfolgen einen interdisziplinären Ansatz zur Herstellung solcher Materialien aus Polymeren und anorganischen Komponenten. Diese Strategie könnte den Grundstein für gänzlich neue Anwendungen in der Optik und Sensorik legen.

Professor Andrieu-Brunsen, was wird ihre nächste große Aufgabe sein, um das Feld der funktionalisierten Nanoporen voranzubringen?

Andrieu-Brunsen: Wir sind gerade dabei, Konzepte für den gerichteten Transport an den Mesoporen zu entwickeln. Dazu gehört, dass wir mit der Struktur und der Kunststofffunktionalisierung einen nanoskaligen Gradienten vorgeben, der die Richtung des Transports festlegt. Dazu gehört auch, dass wir die Techniken, mit denen wir die gewünschte Funktionalisierung überprüfen, weiterentwickeln, denn wir wollen möglichst viel über die Vorgänge in den nanoskalig beschränkten Poren wissen. Dazu kooperieren wir auch mit anderen Gruppen. Eine der nächsten Herausforderung wird zudem darin bestehen, unsere funktionalen Mesoporen in Systeme zur Sensorik, Wärmeableitung oder Katalyse zu integrieren. Hier bietet die TU Darmstadt durch die Mischung aus Natur- und Ingenieurwissenschaften ein sehr spannendes Umfeld.

Dr. Gallei, Sie habilitieren am Fachbereich Makromolekulare Chemie der TU Darmstadt. Was wünschen Sie sich für den wissenschaftlichen Nachwuchs?

Gallei: Ich wünsche mir eine bessere Planungssicherheit und mehr Perspektiven für junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die sich in diesem Stadium ihrer Karriere um Lehre, Forschung und oft auch um die eigene Familie kümmern müssen. Die wenigsten werden dauerhaft an den Universitäten angestellt werden, weder im Rahmen einer Professur, noch im akademischen Mittelbau.

Professor Andrieu-Brunsen, die gleiche Frage an Sie. Was wünschen Sie sich für den wissenschaftlichen Nachwuchs?

Andrieu-Brunsen: Bezogen auf die Phase nach einem ersten Postdoc wünsche ich mir einen klar definierten Status mit voller Eigenständigkeit und Sichtbarkeit in Forschung, Lehre und Verwaltung der eigenen Arbeitsgruppe, wie sie zum Beispiel mit einer Juniorprofessur verbunden ist. Daran sollten sich über Leistung definierte und damit frühzeitig abschätzbare Karriereperspektiven im Sinne eines Tenure Tracks anschließen. Wenn das sehr gute Elternzeitsystem dann noch mit Betreuungskonzepten gekoppelt ist, einschließlich ausreichend langer Öffnungszeiten einer Betreuungseinrichtung, einer hohen Betreuungsqualität und der rechtzeitiger Zusage eines Betreuungsplatzes, wären viele Probleme junger Wissenschaftlerfamilien ausgeräumt.

Lesen Sie mehr über diese Forschung in der hoch³forschen 4/2016