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30.05.2018

Verbundwerkstoff wird dank Edelmetall gefügig

Goldpartikelzusatz macht Polymerbürsten über pH-Wert schaltbar

Ein mit Goldpartikeln versetzter Polymerwerkstoff lässt sich über den pH-Wert reversibel in seiner Dicke schalten. Das haben Physiker der TU Darmstadt herausgefunden und im Fachmagazin „Soft Matter“ veröffentlicht. Die Ergebnisse sind vor allem für die Entwicklung chemischer Nanosensoren in der medizinischen Diagnostik oder Umweltanalytik relevant.

Der Physiker Dikran Boyaciyan bei der Herstellung von Polymerbürsten im Labor. Bild: Sebastian Keuth
Der Physiker Dikran Boyaciyan bei der Herstellung von Polymerbürsten im Labor. Bild: Sebastian Keuth

Polymerbürsten sind aus großen Molekülen zusammengesetzte Ketten, die dicht auf eine Oberfläche aufgepfropft werden. Aufgrund elektrostatischer Kräfte strecken sie sich von ihr weg und bilden eine fellartige Schicht von wenigen hundert Nanometern Dicke. Forschungsteams arbeiten derzeit intensiv daran, Polymersysteme herzustellen, die auf unterschiedlichste Umwelteinflüsse wie pH-Wert, Temperatur oder bestimmte Biomarker ansprechen. Physiker der TU Darmstadt haben zusammen mit Kollegen an der TU Berlin nun erstmals gezeigt, wie die Dicke einer Polymersbürste mittels pH-sensitiver Goldpartikel schaltbar gemacht werden kann.

„Vor allem in der medizinischen Diagnostik oder der Umweltanalytik ist die Kombination aus Polymerketten und Goldpartikeln vielversprechend“, sagt Dikran Boyaciyan. Der 30-jährige Doktorand arbeitet in der Arbeitsgruppe Soft Matter at Interfaces von Professorin Regine von Klitzing.

„Noch ist diese Technologie im Entwicklungsstadium und es geht zunächst darum, das Verhalten der Polymersysteme unter standardisierten Bedingungen zu messen und zu kalibrieren“, erklärt Boyaciyan. Solche smarten Oberflächen könnten etwa in chemischen Nanosensoren angewendet werden, die Giftstoffe oder Krebszellen erkennen, Organfunktionen überwachen oder gezielt Arzneistoffe im Körper freisetzen können.

In seinen Experimenten untersuchte Boyaciyan zunächst, inwieweit sich Bürsten aus zwei Arten von pH-unempfindlichen Polymeren für Schaltprozesse eignen – das ungeladene PNIPAM sowie das positiv geladene PMETAC. Ersteres zeigte keine Erfolge, da sich hier bei hohen pH-Werten (basische Lösung) die Goldpartikel wieder aus dem Bürstennetzwerk herauslösten. In der positiv geladenen PMETAC-Bürste hingegen finden die negativ geladenen Goldpartikel auch bei starken Schwankungen des pH-Wertes Halt.

Weiter konnte Boyaciyan zeigen, wie aus PMETAC-Polymerbürsten und dort eingebrachten Goldnanopartikeln ein reversibel pH-schaltbarer Verbundwerkstoff hergestellt werden kann und wie dessen komplexe elektrostatische Formation funktioniert: Wird der Verbund aus Polymeren und Goldpartikeln in ein saures Milieu getaucht, kommt es zu einer Entladung der Partikel und es treten sowohl Wechselwirkungen zwischen Partikeln also auch zwischen Partikeln und Bürstensystem auf. Dadurch schwillt das Bürstensystem, da es in seiner Formation nicht eingeschränkt wird.

Im basischen Milieu hingegen tritt die Wechselwirkung Partikel-Bürste in den Vordergrund: Die vormals langgestreckten Ketten kollabieren und die Schichtdicke verringert sich. Die Partikel sind nun nämlich stark negativ geladen und können mit den positiv geladenen Polymerketten nun stärker wechselwirken.

Da sich mit der Dicke auch die Zusammensetzung des von der Oberfläche reflektierten Lichtspektrums ändert, lässt sich ein solches reversibel schaltbares Bürstensystem für kolorimetrische Nanosensoren nutzen. Gekoppelt mit miniaturisierten Laser- und Spektrometereinheiten könnten diese aufgrund ihrer extrem kleinen Abmessungen zukünftig etwa in Chiplaboren oder gar innerhalb von Zellen Anwendung finden.

Die Publikation

D. Boyaciyan, P. Krause and R. von Klitzing: „Making strong polyelectrolyte brushes pH-sensitive by incorporation of gold nanoparticles“ in Soft Matter, Issue 20, 2018. DOI: 10.1039/C8SM00411K

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