Selbstorganisation DNA-basierter Dendrimere im Bulk und auf Oberflächen

Die tägliche Erfahrung lehrt uns, dass zwei Objekte nicht an der gleichen Stelle liegen können. Dies trifft offensichtlich sowohl für makroskopische Objekte zu, wie Bücher und Tische, als auch für mikroskopische Teilchen, wie Atome und Moleküle. Zwischen diesen beiden extremen Längenskalen liegt jedoch die mesoskopische Welt der Makromoleküle, welche typischerweise in Systemen der so genannten Weichen Materie eine zentrale Rolle spielen: gängige Beispiele sind Polymerketten oder verzweigte, baumartige Dendrimere, die wie aus Kohlenstoffatomen aufgebaute Schneeflocken aussehen. Vor einigen Jahren wurde nun mit Hilfe theoretischer Methoden vorhergesagt, dass sich zwei (oder mehrere) Dendrimere unter bestimmten Bedingungen überlappend anordnen können, d.h. ihre Schwerpunkten können tatsächlich sehr wohl am gleichen Ort lokalisiert sein; in einem Ensemble können auf diese Weise spontan makroskopische Kristalle aus solchen Teilchen-Clustern entstehen. Für diese Kristalle wurden Elastizitäts- und Transporteigenschaften vorhergesagt, die sich von denen gewöhnlicher (also atomarer) Festkörper deutlich unterscheiden, somit diese als Hybridmaterialien die Charakteristiken von fließender und fester Materie vereinen. Im vorgelegten Projekt planen wir diese neuartigen Kristalle erstmals im Labor herzustellen; dies soll durch eine enge Zusammenarbeit zwischen experimentellen und theoretischen Gruppen ermöglicht werden. Unsere Dendrimere basieren dabei auf dem wohl vielseitigsten und interessantesten Polymer, nämlich auf DNA-Ketten. In enger Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment soll es uns gelingen, diese ungewöhnlichen Materialien mit ihrem außerordentlichen Anwendungspotential erstmalig synthetisch darzustellen. Darüberhinaus werden wir die Selbst-Organisation dieser Moleküle an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft erforschen, und somit ihr Potential für die Nanostrukturierung von funktionellen Oberflächen ausloten.

Theoretiker um Christos Likos haben bereits vor mehr als 20 Jahren vorausgesagt, dass bestimmte Materieteilchen bei ausreichend hoher Dichte einen neuen Materiezustand bilden würden, der die Eigenschaften sowohl kristalliner Festkörper als auch strömender Flüssigkeiten aufweist. Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich, der Universität Siegen und der Universität Wien ist es gelungen, diesen Zustand im Labor herzustellen. Ihr experimentelles Konzept eröffnet die Möglichkeit zur Weiterentwicklung und könnte den Weg für weitere Entdeckungen in der Welt komplexer Materiezustände ebnen. Durch ihre Forschungsanstrengungen konnte das Team schließlich eine intuitive Annahme widerlegen, dass zwei Materieteilchen sich anziehen müssen, damit sie sich verschmelzen und größere Einheiten (d. h. Aggregate oder Cluster) bilden können. Dass dies nicht unbedingt so sein muss, prognostizierte bereits um die Jahrhundertwende ein Team von Physikern der weichen Materie um Christos Likos von der Universität Wien auf Basis theoretischer Überlegungen. Sie schlugen vor, dass auch rein abstoßende Teilchen Cluster bilden könnten, sofern sie sich vollständig überlappen und ihre Abstoßung bestimmte mathematische Kriterien erfüllt. Es erwies sich als schwierig, Partikel herzustellen, die die notwendigen Eigenschaften für den Nachweis von Clusterkristallen aufwiesen. Emmanuel Stiakakis vom Forschungszentrum Jülich und seinen Kollegen ist es nun gelungen, dieses Ziel in enger Zusammenarbeit mit Wiener Theoretikern um Christos Likos und Polymerchemikern aus Siegen (Ulrich Jonas) zu erreichen. Den Forschern gelang es, Hybridpartikel mit pompomartiger Struktur herzustellen. Der Kern dieser Partikel besteht aus organischen Polymeren, an denen DNA-Moleküle befestigt sind und die wie die Fäden eines Pompons in alle Richtungen abstehen. Diese Struktur ermöglicht es, die Moleküle weit ineinander zu schieben und somit ausreichend zu komprimieren. Gleichzeitig sorgt die Kombination aus einer elektrostatischen Abstoßung natürlich geladener DNA-Komponenten und einer schwachen Wechselwirkung von Polymeren im Zentrum der Konstrukte für die notwendige Gesamtwechselwirkung. Damit hat die 20-jährige Suche nach Cluster-Kristallen ihr Ziel erreicht und damit experimentell einen neuartigen Aggregatzustand entdeckt, der die Starrheit von Festkörpern mit der Diffusivität von Flüssigkeiten verbindet.