14.08.2020 - Rijksuniversiteit Groningen

Was haben Spinnen mit Batterien gemeinsam?

Spinnenseide inspiriert eine neue Klasse von funktionellen synthetischen Polymeren: Leitendes Material auf Proteinbasis könnte in Brennstoffzellen und Batterien verwendet werden oder als Sensor dienen

Synthetische Polymere haben die Welt um uns herum verändert, und sie sind aus unserer Welt nicht mehr wegzudenken. Allerdings haben sie auch ihre Probleme. So ist es beispielsweise aus synthetischer Sicht schwierig, ihre Molekularstruktur genau zu kontrollieren. Das macht es schwieriger, einige ihrer Eigenschaften, wie z.B. die Fähigkeit, Ionen zu transportieren, fein abzustimmen. Um dieses Problem zu überwinden, beschloss der Assistenzprofessor der Universität Groningen, Giuseppe Portale, sich von der Natur inspirieren zu lassen. Das Ergebnis wurde am 17. Juli in Science Advances veröffentlicht: eine neue Klasse von Polymeren auf der Basis proteinähnlicher Materialien, die als Protonenleiter wirken und in künftigen bioelektronischen Geräten nützlich sein könnten.

Ich arbeite seit meiner Doktorarbeit immer wieder an protonenleitenden Materialien", sagt Portale. Ich finde es faszinierend zu wissen, was einen Materialtransport zu einem Proton macht, deshalb habe ich viel an der Optimierung von Strukturen im Nanobereich gearbeitet, um eine höhere Leitfähigkeit zu erreichen. Aber erst vor wenigen Jahren zog er die Möglichkeit in Betracht, sie aus biologischen, proteinähnlichen Strukturen herzustellen. Auf diese Idee kam er zusammen mit Professor Andreas Hermann, einem ehemaligen Kollegen von der Universität Groningen, der heute am DWI - Leibniz-Institut für Interaktive Materialien in Deutschland arbeitet. Wir konnten sofort erkennen, dass protonenleitende Bio-Polymere sehr nützlich für Anwendungen wie Bio-Elektronik oder Sensoren sein könnten", sagt Portale.

Mehr aktive Gruppen, mehr Leitfähigkeit

Doch zunächst musste man sehen, ob die Idee funktionieren würde. Portale: "Unser erstes Ziel war es, zu beweisen, dass wir die Protonenleitfähigkeit der Polymere auf Proteinbasis durch die Abstimmung der Anzahl ionisierbarer Gruppen pro Polymerkette präzise abstimmen können". Zu diesem Zweck bereiteten die Forscher eine Reihe unstrukturierter Biopolymere vor, die eine unterschiedliche Anzahl ionisierbarer Gruppen, in diesem Fall Carbonsäuregruppen, aufwiesen. Ihre Protonenleitfähigkeit skalierte linear mit der Anzahl der geladenen Carbonsäuregruppen pro Kette. Es war nicht bahnbrechend, jeder kennt dieses Konzept. Aber wir waren begeistert, dass wir in der Lage waren, etwas herzustellen, das wie erwartet funktionierte", sagt Portale.

Für den nächsten Schritt verließ sich Portale auf seine Expertise auf dem Gebiet der synthetischen Polymere: "Ich habe über die Jahre gelernt, dass die Nanostruktur eines Polymers die Leitfähigkeit stark beeinflussen kann. Wenn man die richtige Nanostruktur hat, können sich die Ladungen bündeln und die lokale Konzentration dieser ionischen Gruppen erhöhen, was die Protonenleitfähigkeit dramatisch steigert. Da die erste Charge der Biopolymere vollständig amorph war, mussten die Forscher auf ein anderes Material umsteigen. Sie entschieden sich für die Verwendung eines bekannten Proteins, das die Form eines Fasses hatte. Wir haben dieses fassähnliche Protein konstruiert und Stränge mit carbocyclischer Säure auf seiner Oberfläche angebracht", erklärt Portale. Dadurch wurde die Leitfähigkeit stark erhöht", erklärt Portale.

Neuartiges Spinnenseiden-Polymer

Leider war das Fass-Polymer nicht sehr praktisch. Es hatte keine mechanische Festigkeit und war schwierig zu verarbeiten, so dass Portale und seine Kollegen nach einer Alternative suchen mussten. Sie landeten auf einem bekannten natürlichen Polymer: Spinnenseide. Dies ist eines der faszinierendsten Materialien in der Natur, denn es ist sehr stark, kann aber auch auf viele verschiedene Arten verwendet werden", sagt Portale. Ich wusste, dass Spinnenseide eine faszinierende Nanostruktur hat, also haben wir ein proteinähnliches Polymer entwickelt, das die Hauptstruktur von Spinnenseide hat, aber so modifiziert wurde, dass es Stränge von carbocyclischer Säure aufnimmt.

Das neuartige Material funktionierte wie ein Zauber. Wir stellten fest, dass es sich im Nanomassstab ähnlich wie Spinnenseide selbst zusammensetzt und dabei dichte Cluster aus geladenen Gruppen bildet, die sich sehr vorteilhaft auf die Protonenleitfähigkeit auswirken", erklärt Portale. Und wir konnten es in eine robuste, zentimetergrosse Membran verwandeln", erklärt Portale. Die gemessene Protonenleitfähigkeit war höher als bei allen bisher bekannten Biomaterialien, aber sie sind laut Portale noch nicht da: "Das waren hauptsächlich grundlegende Arbeiten. Um dieses Material anwenden zu können, müssen wir es wirklich verbessern und verarbeitbar machen".

Träume

Aber auch wenn die Arbeit noch nicht abgeschlossen ist, können Portale und seine Mitarbeiter bereits von der Anwendung ihres Polymers träumen: "Wir denken, dass dieses Material als Membran in Brennstoffzellen nützlich sein könnte. Vielleicht nicht für die Brennstoffzellen im großen Maßstab, wie man sie in Autos und Fabriken sieht, sondern eher im kleinen Maßstab. Es gibt einen wachsenden Bereich implantierbarer bio-elektronischer Geräte, zum Beispiel glucosebetriebene Herzschrittmacher. In den kommenden Jahren hoffen wir herauszufinden, ob unser Polymer dort einen Unterschied machen kann, da es bereits biokompatibel ist".

Kurzfristig denkt Portale vor allem an Sensoren. Die Leitfähigkeit, die wir in unserem Material messen, wird von Faktoren in der Umgebung, wie Feuchtigkeit oder Temperatur, beeinflusst. Wenn Sie also etwas bei einer bestimmten Luftfeuchtigkeit lagern wollen, können Sie dieses Polymer zwischen zwei Elektroden platzieren und einfach messen, ob sich etwas ändert. Doch bevor all diese Träume wahr werden, sind noch viele Fragen zu beantworten. Ich bin sehr stolz darauf, dass wir in der Lage waren, diese neuen Materialien auf molekularer Ebene zu kontrollieren und sie von Grund auf neu zu bauen. Aber wir müssen noch eine Menge über ihre Fähigkeiten lernen und sehen, ob wir sie noch weiter verbessern können.

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