Selbstorganisierte Membranen zur Trennung
Chemische Bestandteile in Flüssigkeiten und Gasen zu trennen, ist auf einigen Gebieten, etwa in den Umweltwissenschaften, der Medizin, der Biotechnologie und der synthetischen Chemie, ein äußerst wichtiger Prozess. Machbar ist dies mit einer Polymermembran mit strukturierten Poren und einer Oberflächenchemie, die speziell an die interessierende Aufgabe angepasst ist. Bestimmte Bestandteile passieren sie und andere nicht. Im Fokus des von der EU mit Finanzmitteln unterstützten Projekts Selfmen ("Self-assembled polymer membranes") stand die Entwicklung neuartiger ultradünner isoporöser Membranen mit kontrollierter Nanostruktur auf Basis der Blockkopolymer-Selbstorganisation. Außerdem wollten die Forscher durch chemische Nachbehandlung zusätzliche Funktionalitäten erlangen. Man interessierte sich für die Anwendung bei der Wasseraufbereitung, Trennung von Proteinen und Gasen (Wasserstoff/Kohlendioxid) und von Proteinen. Die Selbstorganisation ist ein wichtiger Prozess, bei dem die verschiedenen molekularen und atomaren Kräfte der Anziehung und Abstoßung die Bildung von Suprastrukturen verursachen. Natürlich vorkommende selbstorganisierte Strukturen sind die Lipiddoppelschicht-Zellmembran, die DNA und dreidimensionale (3D) Proteinkonformationen. Selfman nutzte die neuartigen Membranen, die über eine gelenkte Selbstorganisation synthetischer Blockkopolymere aus der Lösung zu dünnen Filmen und auf der Oberseite verschiedener anorganischer Substrate realisiert wurden, als Vorlangen für das selektive Ätzen von Poren. Die Forscher synthetisierten mittels Selbstorganisation von Blockkopolymeren sowohl organische (polymere) als auch anorganische (siliziumbasierte) ultradünne Membranen (nanoporöse Siliziummembranen (NSiMs)) mit gesteuerter und dichter Porosität und Dicke im Nanometerbereich. Die organischen Membranen sind dehnbar, während die anorganische Membranen unter den Bedingungen hoher Temperaturen und Drücke stabil sind. Die Membranen zeigten vielversprechende Filtrationseigenschaften. Funktionalisierungen durch Nachbehandlungen öffneten die Tür hin zu zahlreichen Anwendungen. Die Mikro- und Nanofabrikationsverfahren für eine Produktion von NSiMs im Wafer-Maßstab wurden optimiert und in einen größeren Maßstab übernommen. Außerdem wurden NSiMs in funktionale fluidische Module und Filtrationsmodule zur Anwendung bei der (Bio-)Molekültrennung, Ultrafiltration oder Sensorik integriert. Ergänzende Untersuchungen beschäftigten sich mit dem Potenzial der isoporösen Membranen für die Nanotoxikologie, Medikamentenverabreichung und Diagnostik und der Einreichung von vier Patenten. Die Ergebnisse mündeten in der Veröffentlichung zahlreicher Artikel in von Experten begutachteten Fachjournalen und flossen in die Arbeit von sechs Dissertationen ein. Selfmen leistete einen erheblichen Beitrag zum Verständnis und zur Charakterisierung nanoporöser Membranen, die über die Selbstorganisation von Blockkopolymeren hergestellt werden. Die Übernahme der Projektresultate durch Forschung und Industrie und deren Weiterentwicklung wird zweifellos zur Stärkung der Position der EU auf Märkten mit strategischer Bedeutung wie etwa in der Wasseraufbereitung, der Molekularbiologie und bei der Gasreinigung beitragen.
