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Links- oder rechtsgerichtete Moleküle helfen bei der Entwicklung von Materialstrukturen

Forschung zum Aufbau von chiralen Bottom-up-Polymeren mit einzigartigen Funktionen

14.02.2019

Rong-Ming Ho/ National Tsing Hua University

Eine Rekonstruktion von Blockcopolymeren unter dem Elektronenmikroskop zeigt deutlich, wie sie der Chiralität oder Händigkeit folgen, die durch ihre Grundmoleküle erzeugt wird, und zu spiralförmigen Strukturen wachsen, die sich nach links oder rechts drehen. Ihre kontrollierbare "Handlichkeit" und Abstimmbarkeit kann zu Materialien mit einzigartigen optischen Eigenschaften führen.

Wie unten, so oben. Das scheint ein Wirkprinzip für Moleküle zu sein, die mit einer grundlegenden Chiralität - oder "Händigkeit" - beginnen und diese weitergeben, wenn sie sich zu größeren Strukturen verbinden.

Ein internationales Team, zu dem auch der Materialwissenschaftler der Rice University, Edwin Thomas, gehörte, hat ein neues, grundlegendes Detail aus der Bottom-up-Kreation mehrerer Blockcopolymere herausgearbeitet, synthetische Materialien, die sich natürlich aus kleinen Bausteinen zusammensetzen.

Sie fanden die linke oder rechte Chiralität, die durch die kleinsten Bausteine (Monomere) des Polymers festgelegt wurde, die sich selbst replizierten, als das mikroskopische Material zusammenkam, um größere spiralförmige Strukturen zu bilden, die denen ähneln, die in der Natur üblich sind - zum Beispiel in der spiralförmigen DNA - und die die Herstellung von Materialien mit einzigartigen Eigenschaften ermöglichen könnten.

"Aus der Sicht der Eigenschaften ist die Chiralität ziemlich bedeutend für die Optik", sagte Thomas. "Die Hoffnung ist, dass wir die Selbstorganisation chiraler Wesen kontrollieren können, um superchirale Wesen 10 oder 100 mal größer zu machen, so dass sie mit sichtbarem oder sogar infrarotem Licht interagieren können."

Die Entdeckung, die von den experimentellen Kollegen des Rice Professor's in Taiwan geleitet wird, steht im Mittelpunkt eines Beitrags in den Proceedings of the National Academy of Sciences.

Thomas und sein Team haben jahrelang Expertise in der Entwicklung von Blockcopolymeren entwickelt, einer Klasse von Metamaterialien, die sich zu vielen verschiedenen Mustern zusammenfügen können, einschließlich alternierender Schichten. Ein von ihnen entwickeltes Wechselschichtcopolymer erwies sich als in der Lage, die Energie eines Mikrogeschosses zu absorbieren, während ein anderes einen sich farbverändernden Film bildete, der als Sensor in Lebensmittelverpackungen fungieren konnte, der den Verfall erkennen konnte, und ein anderes, das verwendet werden konnte, um reversibel in Farbe auf Normalpapier zu schreiben.

Thomas betonte die Bedeutung der Chiralität in der Natur, besonders im Arzneimitteldesign, wo ein linkshändiges Molekül ein Retter sein kann, während das gleiche Molekül, aber rechtshändig, giftig ist. Chiralspezifische Copolymere, die die Natur nachahmen, könnten auch zu zähen, aber flexiblen Verbindungen mit einzigartigen, abstimmbaren Eigenschaften werden, sagte er.

Wissenschaftler der National Tsing Hua und National Chung Cheng Universitäten in Taiwan züchteten Arrays von Polymerzylindern aus Monomeren und zeigten durch tomographische elektronenmikroskopische 3D-Rekonstruktionen und Videos, dass sich die Zylinder nach links oder rechts verdrehten, wie es die molekularen Bausteine vorschreiben.

Thomas sagte, dass die resultierenden elastischen Polymere bei Bedarf gedehnt und abgestimmt werden könnten, um auf bestimmte Wellenlängen des Lichts zu reagieren. "Wir könnten photonische Kristalle herstellen, die Rechtslicht reflektieren und Linkslicht übertragen", sagte er. "Mit zirkular polarisiertem Licht könnte es für eine Hand übertragen und für die andere Hand reflektieren. Es wäre ein Spiegel für rechts und vollkommen transparent für links.

"Ich freue mich darauf, mit diesen Materialien mit Licht zu experimentieren, denn Licht ist faszinierend", sagte Thomas. "Du kannst Dinge tun, die du buchstäblich sehen kannst, indem du das Material manipulierst."

Er freut sich auf die Entwicklung chiraler Objekte, die noch komplexer werden. "Was wäre, wenn wir links-chirale Strukturen schaffen könnten, die sich zu rechts-chiralen Strukturen verschmelzen? Und wenn wir es in drei Dimensionen schaffen? Was passiert dort?

"Jedes Mal, wenn wir etwas lösen oder denken, dass wir eine interessante Sache gefunden haben, haben wir nur tausend neue Fragen gestellt", sagte er. "Und ich habe neue Fragen."

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