Neue Einblicke in die Dynamik von selbstorganisierenden Materialien
Die Natur nutzt Selbstorganisation für den Aufbau molekularer Materialien, wie zelluläre Proteinfilamente, oder Mikrotubuli, die sich anpassen und dynamisch auf spezifische Reize wie Temperaturänderungen und chemische Signale reagieren. Die Entwicklung synthetischer selbstorganisierender Materialien mit ähnlichen Eigenschaften bietet vielversprechende Perspektiven für eine Vielzahl technologischer Anwendungen.
Molekulare Selbstorganisation und supramolekulare Strukturen
Mit Unterstützung durch den Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) verfolgte Projekt DYNAPOL das Ziel, die molekularen Mechanismen zu erforschen, die die Eigenschaften von dynamisch selbstorganisierenden Materialien steuern – ein erster wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung neuartiger Materialien für verschiedene Anwendungen. Die Selbstorganisation umfasst die Entwicklung kleinerer Einheiten, die sich unter bestimmten Bedingungen gegenseitig erkennen, Verbindungen eingehen und wachsen. Ein interessantes Merkmal, das sich in solchen Selbstorganisationsprozessen bei bestimmten Umgebungen und Bedingungen herauskristallisiert, ist, dass die erhaltenen Materialien in einem Zustand der Eigendynamik existieren. „Es ist ein bisschen wie das Spielen mit Lego... aber man sollte sich Lego-Steine vorstellen, die sich selbst organisieren und eigenständig neu konfigurieren können“, sagt DYNAPOL-Projektkoordinator Giovanni Pavan von der Polytechnischen Universität Turin(öffnet in neuem Fenster) in Italien. „Auf diese Weise hergestellte Materialien können faszinierende Eigenschaften aufweisen, etwa ein reaktionsfähiges Verhalten, Anpassungsfähigkeit und Recycelbarkeit (selbstorganisierte Strukturen lassen sich wie Lego-Steine in ihre Bestandteile zerlegen).“
Schwerpunkt Dynamik
Im Rahmen des DYNAPOL-Projekts wollte Pavan schwerpunktmäßig die Bedeutung der Dynamik in selbstorganisierenden Strukturen erforschen. „Auf diesem Gebiet ist die Dynamik bekanntermaßen von grundlegender Bedeutung für die Eigenschaften von supramolekularen Materialien“, merkt er an. „Ich hatte jedoch den Eindruck, dass die Faktoren, die eine solche Dynamik steuern, noch nicht ganz klar sind.“ Die Idee des Projekts bestand daher nicht in der reinen Simulation von Strukturen oder Selbstorganisationsprozessen, sondern vielmehr der dynamischen Übergänge und der Kommunikation, die zwischen selbstorganisierenden Materialien auf molekularer Ebene stattfindet. Eine der größten Herausforderungen bei der Untersuchung der supramolekularen Dynamik dieser Systeme war die Beibehaltung der erforderlichen Auflösung, um Ereignisse auf molekularer und sogar submolekularer Ebene verfolgen zu können. Im Rahmen von DYNAPOL wurde eine Reihe von Instrumenten, darunter Multiskalenmodellierung, fortgeschrittene Simulationen, maschinelles Lernen und Softwareentwicklung, eingesetzt, um eine Vielzahl von selbstorganisierenden Systemen zu untersuchen. Darüber hinaus wurden neue Methoden und Instrumente entwickelt, um Fluktuationen in jeder Art von dynamisch selbstorganisierenden Materialien zu erkennen und über die Daten mehr über die molekularen Faktoren zu erfahren, die ihre dynamischen Eigenschaften nach biologischem Vorbild steuern.
Neue Materialien für verschiedene Anwendungen
Ein wichtiges Ergebnis von DYNAPOL war die Demonstration des Verhaltens von dynamisch selbstorganisierenden Systemen als komplexe Systeme. „Das bedeutet, dass darin Eigenschaften entstehen, die nicht ohne Weiteres auf die Eigenschaften der Grundbausteine zurückgeführt werden können, sondern vielmehr auf die dynamisch fluktuierende molekulare Kommunikation und Unordnung“, erklärt Pavan. Das Projekt mit über 60 wissenschaftlichen Veröffentlichungen in wichtigen Fachzeitschriften hatte enormen Einfluss auf die Werkstoffkunde. Die Ergebnisse haben auch praktisches Anwendungspotenzial. In Bereichen, in denen die Dynamik eine zentrale Rolle spielt – von Batterien und bildgebenden Verfahren bis hin zur Verabreichung von Medikamenten und adaptiven Materialien – werden Möglichkeiten untersucht, die sich mit neuartigen Materialien erreichen lassen. „Man stelle sich zum Beispiel eine medizinische Creme oder eine Emulsion zum Auftragen auf die Haut vor“, sagt Pavan, „mit einer Zusammensetzung aus selbstorganisierten Partikeln, die Medikamente enthalten, welche sich selbstständig an Oberflächen binden und diese abtasten können, um eine Überexpression bestimmter Rezeptoren (oder Targets) ausfindig zu machen und die Medikamente nur an der erforderlichen Stelle zur rechten Zeit zu verabreichen.“ „So funktioniert unser Immunsystem von Natur aus. Wir können uns die Natur als Vorbild nehmen und lernen, wie wir mittels Selbstorganisation auf der Grundlage neuartiger dynamischer Materialien intelligente Lösungen entwickeln können.“
