Neue DFG-Forschungsgruppe untersucht Mikrostruktur von schaltbaren Polymergelen

Verbund "Adaptive Polymergele mit kontrollierter Netzwerkstruktur" schließt Lücke in der deutschen Forschungslandschaft

23.05.2019

Superabsorber in Babywindeln und weiche Kontaktlinsen haben – so verschieden sie auch sind – etwas gemeinsam: Sie bestehen aus Polymergelen, die für bestimmte Stoffe durchlässig sind. Weiche Kontaktlinsen etwa müssen so beschaffen sein, dass die Hornhaut der Augen gut mit Ionen und Sauerstoff versorgt wird. Sie sollen daher den Transport sowohl von wasserliebenden als auch von wasserabstoßenden Molekülen gewährleisten. Solche Polymergele, die in unterschiedlichen Flüssigkeiten quellen und daher für unterschiedliche Stoffe durchlässig sind, können potenziell auch als Membranen für Brennstoffzellen oder als antimikrobielle Beschichtungen dienen. Allerdings müssten dafür die genauen Eigenschaften und damit die Nano- und Mikrostruktur der Polymergele bekannt sein. Damit wird sich in den nächsten Jahren eine neue Forschungsgruppe befassen, an der sechs Standorte in Deutschland beteiligt sind. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die Einrichtung der Gruppe "Adaptive Polymergele mit kontrollierter Netzwerkstruktur" genehmigt und wird in den kommenden drei Jahren rund zwei Millionen Euro dafür bereitstellen.

Ideale Verbindung von Forschungskompetenz an sechs Standorten

"Bislang gab es in Deutschland keine DFG-Forschungsgruppe im Polymerbereich. Dieses Manko können wir mit unserer Initiative nun ausräumen", teilt Prof. Dr. Sebastian Seiffert zu der DFG-Bewilligung mit. Seiffert ist seit 2016 Professor für Physikalische Chemie der Polymere an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und Sprecher der Forschungsgruppe. Die Idee zu der Initiative entsprang Gesprächen zwischen ihm und Co-Sprecher Dr. Michael Lang vom Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden am Rande der Konferenz der European Polymer Federation in Dresden 2015. "Uns beide bewegte damals die Frage, was Heterogenitäten in einem Netzwerk sind und wie man diese am besten kontrollieren und analysieren könnte", erklärt Lang. "Wir haben dann schnell festgestellt, dass mehrere Mess- und Simulationsmethoden und eine ganze Reihe verschiedenartiger Proben nötig sind, um ein derart komplexes Problem anzugehen, und dass dies von uns beiden alleine nicht zu bewerkstelligen ist. Anhand der Anforderungen an die Messung, Synthese und Simulation, um das Problem in einem weiter gefassten Kontext zu verstehen, konnten wir dann in wenigen Wochen ein Team von sieben Experten formen."

Das Konzept hat letztlich nicht nur die beteiligen Wissenschaftler begeistert, es wurde auch vollumfänglich und mit Nachdruck von einem Expertengremium der DFG zur Förderung empfohlen. "Jedes Teilgebiet ist auf höchstem Niveau vertreten und unsere Expertise ergänzt sich perfekt", beschreibt Seiffert die Kooperation. Mit dabei sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden (IPF), der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der Universität Stuttgart, der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und der TU Darmstadt.

"Unser gemeinsames Ziel ist es, Polymernetzwerke herzustellen, die sowohl aus wasserlöslichen als auch aus öllöslichen Bausteinen bestehen und die diese Bausteine in einer kontrollierbaren Struktur verbinden", sagt Seiffert. Sogenannte amphiphile Netzwerke aus wasser- und öllöslichen Bestandteilen können wahlweise die eine oder andere Flüssigkeit durchlassen, was beispielsweise für den selektiven Transport von Wirkstoffen interessant ist. Entscheidend dafür ist die Mikrostruktur des Polymergels. Sie ist häufig nicht einheitlich, sondern unregelmäßig wie bei einem Marmorkuchen, dessen Marmorierung sowohl von den Herstellungsbedingungen als auch von den momentanen Arbeitsbedingungen abhängt. Die Gruppe sieht ihre Aufgabe zunächst darin, ganz grundlegend und systematisch zu verstehen, wie es zu diesen Unregelmäßigkeiten in der Netzwerkstruktur kommt und welche Rolle der Herstellungsprozess und der Probenzustand dabei spielen. Denn dies beeinflusst die Eigenschaften der Materialien und damit auch ihre Einsatzmöglichkeiten.

Mainz – historisch etabliertes Zentrum der Polymerforschung

Die Untersuchung und Beschreibung der amphiphilen Gele – unter den verschiedenen Einflussfaktoren – erfolgt im Wesentlichen durch zwei Methoden: Lichtstreuung und Multiquanten-Kernresonanzspektroskopie. Für die Untersuchungen mittels Lichtstreuung verfügt die Johannes Gutenberg-Universität über die entsprechenden Geräte und Kenntnisse. "Mainz hat dieses Gebiet über Jahrzehnte aufgebaut und gehört heute zu den führenden Standorten weltweit", sagt Seiffert mit einem Hinweis auf die Beteiligung der Physikalischen Chemie an diesem Erfolg. Die zweite wichtige Technik, die Multiquanten-Kernresonanzspektroskopie, hat mit Halle-Wittenberg ebenfalls ein einzigartiges, herausragendes Zentrum. Ergänzt werden die experimentellen Arbeiten durch Oberflächenanalytik in Darmstadt sowie Simulation der Netzwerke am Computer, ein Schwerpunkt der Dresdner und Stuttgarter Kooperationspartner. Die Basis für all dies wird gelegt durch die chemische Expertise aus Dresden und Jena, wo die Gelproben mit einem Höchstmaß an Kontrolle hergestellt werden können. 

Vorerst wird die Gruppe keine neuen Materialien entwickeln, sondern in dem ersten Förderzeitraum grundlegende Fragen lösen. In einer zweiten Periode könnte dann, so die Überlegungen, aktives Materialdesign in Angriff genommen werden. Zunächst findet aber der offizielle Start der Forschungsgruppe statt – mit einem Kick-off-Meeting am 15. August 2019 in Dresden.