02.04.2014 - University of Alberta

Schwellende Stapel: Optische Bauteile aus multiresponsiven Mikrogelen

„Intelligente“ Materialien, die auf externe Reize reagieren, stehen auf der Wunschliste von Wissenschaftlern, da sie für vielfältige Anwendungen, wie Sensorik und Mikrorobotik, interessant sind. Kanadische Forscher arbeiten mit Mikrogelen auf Polymerbasis, die anschwellen und schrumpfen können. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen sie winzige Stapelstrukturen solcher Mikrogele vor, die ihre optischen Eigenschaften als Antwort auf Licht, variierende pH-Werte, Temperatur ändern und Nervengase detektieren können.

Gele sind vernetzte Moleküle, die eine Flüssigkeit in ihre „Maschen“ einlagern und aufquellen, Mikrogele sind einzelne winzige Gelpartikel. Die Mikrogele, an denen das Team um Michael J. Serpe von der University of Alberta forscht, sind unterhalb von 32 °C gequollen, bei höheren Temperaturen kollabieren sie und schrumpfen. Die Forscher stellten daraus kleine Stapelstrukturen, so genannte Etalone, her: Zwischen zwei dünne Goldschichten betteten sie eine hauchfeine Schicht der Mikrogele ein. Wenn sie anschwillt, entfernen sich die beiden Goldschichten voneinander, wenn sie schrumpft, rücken die Goldschichten zusammen. Die optischen Eigenschaften der Stapel ändern sich deutlich mit der Entfernung der Goldschichten zueinander, „antworten“ also auf eine Temperaturänderung.

Die Temperatur sollte nicht der einzige Reiz bleiben, auf den die Gele reagieren. Dazu bauten die Forscher zusätzlich Triphenylmethan-Leukohydroxid (TPL) in die Mikrogele ein, einen wahrhaften Allrounder, der die Mikrogele für diverse Reize empfänglich macht. So führt Bestrahlung mit rotem Laserlicht, das von TPL absorbiert wird, zu einer lokalen Temperaturerhöhung innerhalb der Mikrogele – der Abstand zwischen den Goldschichten nimmt ab. UV-Bestrahlung dagegen regt die TPL-Moleküle so an, dass sie in Leuko-Kationen und Hydroxid-Anionen dissoziieren. Deren Ladungen führen dazu, dass die Mikrogele zusätzliches Wasser aufnimmt – der Goldschicht-Abstand nimmt zu. Diese Effekte machen die Stapel interessant zur Herstellung veränderbarer optischer Bauteile. Eine andere denkbare Anwendung sind Wirkstofftransporter mit Fernauslösung: Werden erkrankte Körperpartien durch die Haut mit langwelligem Licht beleuchtet, könnte der enthaltene Wirkstoff hier selektiv freigesetzt werden.

Auch auf eine pH-Änderung reagieren die Mikrogele: Ein saurer pH-Wert sorgt dafür, dass Leuko-Kationen entstehen, deren Ladungen lassen die Mikrogele durch Wasseraufnahme anschwellen. Wird der pH wieder erhöht, schrumpfen die Mikrogele. Dies könnte für eine selektive Freisetzung von Antitumorwirkstoffen genutzt werden, da Tumore oft einen etwas anderen pH-Wert als das umgebende Gewebe haben.

Interessanterweise reagieren Organophosphate mit TPL-Molekülen unter Bildung von Leuko-Kationen. Das damit verbundene Anschwellen der Mikrogelschicht und die Änderung der optischen Eigenschaften der Stapel könnte zur quantitativen Detektion von Nervengasen wie Tabun herangezogen werden.

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