17.09.2014 - Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Smarte Polymere: Einfachheit bei komplexen Eigenschaften

Physiker des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz enthüllen den mikroskopischen Mechanismus, der hinter der rätselhaften Löslichkeitslücke von Polymeren in Mischungen von guten Lösungsmitteln steckt.

MPI-P Wissenschaftler, Prof. Dr. Kurt Kremer und Dr. Debashish Mukherji, zusammen mit ihrem Kollegen Prof. Dr. Carlos Marques vom französischen Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), entwickeln ein neues theoretisches Konzept, um die Löslichkeit von stimuli-responsiven Polymeren in Lösungsmittelgemischen zu verstehen. Mit einer Kombination aus "generischer" molekularer Simulation und analytischer Theorie lösen sie eine langjährige Frage: welcher mikroskopische Mechanismus steckt hinter dem Kollaps von Polymeren in Gemischen aus guten Lösungsmitteln? Ihre Ergebnisse werden in der jüngsten Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature Communications" veröffentlicht.

Stimuli-responsive Polymere, d.h. Makromoleküle, die auf externe Einflüsse wie Temperatur oder Art des Lösungsmittels reagieren, können sowohl von Chemikern künstlich hergestellt werden als auch, wie im Fall von Peptiden, natürlichen Ursprungs sein. Sie werden im Englischen als Smart Polymers bezeichnet, sind eine spezielle Klasse von polymeren Materialien, die eine große Bandbreite an unvorhersehbaren Eigenschaften aufweisen, wenn sie in Lösungsmittelgemischen gelöst werden. Während z.B. Wasser und Alkohol sehr gut mischbar sind und, einzeln genommen, sich als gute Lösungsmittel für solche Smarte Polymere erweisen, fallen dieselben Polymere in Wasser-Alkohol-Mischungen aus der Lösung aus. Dieses faszinierende und auf den ersten Blick unerwartete Verhalten wird im Englischen als Co-non-solvency bezeichnet. Bis heute wurde keine allgemein gültige Erklärung gefunden. Anhand der Kombination von Molekulardynamiksimulationen und analytischer Theorie zeigen die Wissenschaftler, dass diese Eigenschaft ein generisches Phänomen, d. h. unabhängig von chemischen Details, ist. Entscheidend ist nur, dass die Polymerbausteine die Moleküle eines der beiden Lösungsmittel als lokale Umgebung bevorzugen. Da in den Simulationen die Polymerstruktur keine Rolle spielt, sondern nur allgemeine Affinitäten zwischen Lösungsmittelmolekülen und Polymerketten berücksichtigt sind, sollte das entwickelte Konzept für viele Gemische allgemeingültig sein.

Einer der interessantesten Ergebnisse dieser Arbeit ist, dass der Kollaps eines Polymers selbst dann stattfindet, wenn die Lösungsmittelqualität durch die Zugabe des besseren Co-Lösungsmittels verbessert wird. Die Polymerkonformation erweist sich als unabhängig von der Lösungsmittelqualität. "Diese Entkopplung von Lösungsmittelqualität und Polymerkonformation ist unerwartet und neu. Sie eröffnet interessante Perspektiven sowohl für die Verarbeitung von Polymeren in Lösung als auch für medizinische Anwendungen wie die Arzneimittelverkapselung", erklärt Prof. Kremer, Direktor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung.

  • Debashish Mukherji, Carlos M. Marques, and Kurt Kremer; Polymer collapse in miscible good solvents is a generic phenomenon driven by preferential adsorption; Nature Communications (2014)

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