Sternpolymere im Nanomaßstab fördern stark kontrollierte Adsorptions- und Reinigungsprozesse zu Tage
Die Fähigkeit von Feststoffen, Substanzen anzuziehen und an ihren Oberflächen zu „halten“ (Adsorption), wird in Reinigungs- und Abscheidungsprozessen routinemäßig genutzt. Aktivkohle ist ein Beispiel für einen einfachen Feststoff, der in gängigen Trinkwasserfiltern und in Masken zur Beseitigung giftiger Gase auf dem Schlachtfeld verwendet wird. Die bessere Kontrolle über neue Funktionalitäten für adsorbierende Materialien kann die Selektivität, Empfindlichkeit und Wirksamkeit erhöhen. Mit Unterstützung durch das Marie-Skłodowska-Curie-Programm wurden im Rahmen des Projekts NANODRIVE umfangreiche theoretische, rechnerische und experimentelle Untersuchungen zur Adsorption im Nanomaßstab durchgeführt. Das Verständnis der Mechanismen ebnet den Weg für ein rationales Design von Nanopartikeln, die auf die Adsorption und Freisetzung von Substanzen in wichtigen Bereichen wie der Umwelttechnik, der industriellen Technik und der Medizintechnik spezialisiert sind.
Die Leistungsstärke in Zahlen
NANODRIVE war auf spezielle Makromoleküle namens Diblock-Copolymere ausgerichtet. Polymere sind sehr große Moleküle, die aus vielen kleineren individuellen Einheiten (Monomeren) bestehen, die miteinander verbunden sind. Wenn zwei Arten von Monomeren gemeinsam einen Cluster formen und innerhalb des großen Polymers Blöcke mit sich wiederholenden Einheiten bilden, wird das daraus resultierende Molekül als Diblock-Copolymer bezeichnet. Die duale physikalische oder chemische Funktionalität kann zur Steuerung der Selbstassemblierung in einer vorgegebenen geordneten oder ungeordneten Phase genutzt werden. Dies wird über eine kontrollierte Änderung von Parametern wie der Konzentration, der Temperatur, dem pH-Gehalt oder der chemischen Beschaffenheit der polymeren Makromoleküle erreicht. Forschungsstipendiatin Barbara Capone fokussierte sich auf die Gestaltung von Diblock-Copolymeren für die selektive Adsorption von „Ladung“ in einer Lösung. Genauer gesagt zielte Capone, als Gründerin und Geschäftsführerin der internationalen NRO Sunshine4Palestine, welche auf die Energie- und Wasserversorgung in Notsituationen fokussiert ist, auf eine Adsorption für die groß angelegte Wassersanierung in extrem armen Gebieten ab.
Die Antwort steht in den Sternen geschrieben
NANODRIVE begann mit einem einfachen System, das aus Silbernanopartikeln und der Adsorption von Metallionen in einer Lösung bestand. Capone und Projektkoordinator Fabio Bruni erklären hierzu: „Durch die Kombination theoretischer und experimenteller Untersuchungen konnten wir den Adsorptionsweg von Cobalt- und Nickelionen in Silbernanopartikeln vollständig charakterisieren. Ferner demonstrierten wir, dass es mit wenigen chemischen oder physikalischen Parametern möglich ist, den Clusterbildungsprozess und die selektive Adsorption komplett voranzubringen.“ Die Wissenschaftler richteten ihre Aufmerksamkeit dann auf ihren Schwerpunkt – Diblock-Stern-Copolymere, bei denen jeder Arm eines Sterns aus zwei Teilen besteht. Der innere Teil interagiert mit der Ladung und der äußere Teil wird zur Feineinstellung und Änderung der Form des adsorbierenden Makromoleküls genutzt. NANODRIVE ergänzte die äußeren Arme um eine zweite Funktionalität. Die thermische Empfindlichkeit ermöglichte, dass die Ladung durch eine geringfügige Temperaturänderung für die Entfernung aus der wässrigen Lösung gesperrt werden konnte.
Das rationale Design von Adsorbern im Nanomaßstab erfüllt viele Anforderungen.
Das Team ermittelt jetzt molekulare Wechselwirkungen, die ein rationales Design von Adsorbern für biologische Systeme ermöglichen werden. Capone und Bruni erklären hierzu: „Ausgehend von den Adsorptionseigenschaften einfacher Homopolymer-Sternpolymere erstellten wir einen Satz von makromolekularen ,Nanorobotern‘, die eine Ladung bestücken und durch Änderung der chemischen Zusammensetzung oder der Geometrie der Nanopartikel Schwermetalle in einer komplexen und beladenen Lösung erkennen können.“ Die umfassende Charakterisierung der Adsorption im Nanomaßstab durch NANODRIVE ebnet den Weg für die Anwendung in einer Vielzahl von Gebieten, insbesondere in den Anwendungsbereichen Umwelt und Biomedizin.
Schlüsselbegriffe
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