"Patchy Particles" als Bausteine der Weichen Materie

Die bekannt vielfältigen Möglichkeiten, die Kolloide bei der Herstellung neuer Materialien bieten, wurden in den letzten Jahren durch die Einführung von sogenannten "patchy particles" wesentlich erweitert. Es handelt sich dabei um kolloidale Teilchen, denen durch geeignete chemische oder physikalische Verfahren ein wohldefiniertes Muster ("patches") aufgeprägt wurde: diese "patches" unterscheiden sich in ihrem Wechselwirkungsverhalten deutlich von den unbehandelten Bereichen der Oberfläche. Über diese Muster können "patchy particles" somit gezielt Bindungen mit anderen Teilchen eingehen. "Patchy particles" werden daher als ideale mesoskopische Bausteine bei der Synthese neuer Materialien mit gewünschten physikalischen und strukturellen Eigenschaften gehandelt. Ungeachtet der vielfältigen und vielversprechenden Möglichkeiten, die diese Kolloide bieten, ist die Produktion solcher Teilchen in sogenannten "top-down" Syntheseverfahren mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden: einerseits ist bei der Produktion die Ausbeute an Teilchen relativ gering, andererseits stellen die genaue Positionierung der "patches", sowie die Kontrolle ihrer Größe und Form schwierige Probleme bei der Synthese dar. In den letzten Jahren wurden über sogenannte "bottom-up" Syntheseverfahren völlig neue Wege bei der Herstellung von "patchy particles" eingeschlagen: in diesen Verfahren werden die "patchy particles" über Selbstorganisationsprozesse von geeigneten mikroskopischen Einheiten synthetisiert. So konnte zum Beispiel gezeigt werden, dass Multiblock-Kopolymere oder Sternpolymere kompakte kolloidale Einheiten mit einer wohldefinierten inneren Struktur bilden können, die darüberhinaus eine strukturierte Oberfläche besitzen: über diese können die Teilchen - ähnlich wie bei "patchy particles" - selektiv Bindungen eingehen. Sobald man die Produktion der mikroskopischen Einheiten genau steuern kann, ermöglichen diese neuen "bottom-up" Produktionprozesse (im Gegensatz zu den "top-down" Syntheseverfahren) eine sehr große Ausbeute. Die auf diese Art produzierten "patchy particles" stellen eine neue Klasse von Kolloidteilchen dar, da die Direktionalität und Asymmetrie ihrer Bindungen mit einem relativ großen Grad an Weichheit in ihren Wechselswirkungen kombiniert wird. Auch in einem weiteren Detail unterscheiden sie sich von den konventionellen "patchy particles`: die Positionen und die Größen ihrer "patches" sind ständigen Fluktuationen unterworfen. Im Rahmen dieses Projektes soll ein umfassendes Konzept erarbeitet werden, das es - ausgehend von einer mikroskopischen Beschreibung der Teilchen - ermöglicht, die makroskopischen Eigenschaften dieser neuen Klasse von "patchy particles" zu berechnen. Konkret gehen wir von mikroskopischen, polymer-basierten Systemen aus. Mit Hilfe geeigneter theoretischer und numerischer Verfahren mitteln wir über die Freiheitsgrade der mikroskopischen Einheiten und können somit die "patchy particles" als "effektive" Teilchen in ihrer Weichheit, ihrer Deformierbarkeit und ihren Bindungsmöglichkeiten charakterisieren. Basierend auf diesem mesoskopischen Bild untersuchen wir das Wechselspiel und den Einfluß dieser drei charakteristischen Eigenschaften bei der Bildung von geordneten und ungeordneten makroskopischen Phasen.

Materialien mit spezifischen Strukturen und physikalischen Eigenschaften werden wegen ihres breiten Spektrums an technologischen Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise für Elektronik, Photovoltaik, Datenspeicher und biomimetische Materialsynthese, dringend gesucht. Anstatt sich auf extern kontrollierte Materialien zu verlassen, basieren viele Herstellungsmethoden heutzutage auf Selbstformierungsprozessen sorgfältig ausgewählter/synthetisierter Basiseinheiten. Das makroskopische Gegenstück dieser Methode würde dem Bau einer Brücke entsprechen, bei dem man nur die entsprechenden Ziegel aussucht und diese sich selbst in die gewünschte Struktur organisieren lasst. Der neueste und erfolgversprechendste Weg zu selbstorganisierenden Materialien beruht auf Anisotropie: Spezielle Anweisungen für den Zusammenbau des Zielmaterials mit bestimmten Architekturen und Eigenschaften können in die Partikel eingebettet werden, wenn die Interaktionen nicht mehr nur isotropisch ablaufen, sondern auf der relativen Position und Orientierung der Partikel untereinander beruhen. Auf dem Gebiet der Kolloide können Interaktionen zwischen Partikel so entworfen wer- den, dass sie durch Manipulation der Form und/oder der Oberflächeneigenschaften richtungsabhängig ablaufen. Mein Projekt konzentriert sich auf eine Klasse anisotropisch interagierender Partikel, die als Patchy Colloids bezeichnet werden. Das sind Kolloide mit einer in unterschiedliche Regionen unterteilten Oberflache, die durch individuelle Interaktionseigenschaften charakterisiert sind. Im Speziellen habe ich zwei sehr vielversprechende Unterklassen dieser Patchy Colloids ausgewählt: Inverse Kolloide, d.h. Partikel mit unterschiedlich geladenen Oberflächenregionen, bzw. weiche und flexible Kolloide, deren polymerbasierte Einheiten, durch weiche effektive und beständige Neuanordnung ihrer Bindungsstellen charakterisiert werden. Unter Verwendung aktueller Berechnungstechniken und eigens entwickelter theoretischer Bezugssysteme habe ich das große Potenzial dieser Klassen von Mikro- und Nano-Einheiten, responsive funktionale Materialien zu bilden, erforscht. Während sich das erste System als vielversprechend für die Bildung geordneter Strukturen mit nicht dicht gepackter Architektur (beispielsweise geschichtete poröse Phasen) erwiesen hat, bildet die zweite Gruppe vorzugsweise ungeordnete gelartige Aggregate, deren Eigenschaften über die Merkmale der selbstorganisierenden Einheiten gesteuert werden kann. Materialien mit einer geordneten offenen Architektur eröffnen verlockende neuartige Perspektiven in den Bereichen Photonik, Sensing und Reinigung, während ungeordnete Materialien mit einer steuerbaren Konnektivität wertvoll für Tissue Engineering und Anwendungen im Bereich Drug Delivery sind.