Chemische Hybridmaterialien

Nicht nur aus Sand gebaut: molekulare Hohlräume, Wirkstoffe und Materialien

Grundlagenforschung und Anwendungsorientierung können ebenso eine Symbiose eingehen wie Forschung und Lehre meint Prof. Pietschnig, der seit 2011 an der Universität Kassel das Fachgebiet Chemische Hybridmaterialien leitet. Den oft reklamierten Widerspruch zwischen diesen scheinbaren Antipoden hält er für nicht zeitgemäß und findet stattdessen, dass diese unterschiedlichen Aspekte seiner Tätigkeit sich im Gegenteil sogar befruchten. In dem interdisziplinären Umfeld, welches die Universität Kassel bietet, fühlt er sich sichtlich wohl und sieht besondere Chancen für seine Forschung, die sich an der natürlichen Schnittstelle von anorganischer und organischer Chemie befindet. Den Studiengang Nanostrukturwissenschaften hält Pietschnig für ein Erfolgsmodell mit Vorbildcharakter bei dem die Universität Kassel Pionierarbeit in der deutschen Bildungslandschaft geleistet hat.

Molekulare Käfige

Röntgenstruktur eines molekularen Käfigs

Oft sind die Dinge im kleinen Maßstab ganz anders als sie uns aus unserem alltäglichen Leben vertraut sind. So ist ein leerer Käfig, beispielsweise ein Vogelkäfig, nicht wirklich leer sondern im Normalfall mit Luft gefüllt. Ganz anders ist die Situation, wenn die Abstände zwischen den „Gitterstäben“ so klein werden, dass sie in der selben Dimension wie die Luftbestandteile sind. Dann kann sich im Inneren eines leeren Käfigs auch ein Vakuum befinden. Dies ist zum Beispiel bei molekularen Käfigen der Fall, die u.a. von Prof. Pietschnig und seinem Team erforscht werden. Das Vakuum entsteht durch das Wechselspiel von anziehenden und abstoßenden Kräften bei der Herstellung derartiger Käfige quasi von selbst und muss nicht erst aufwendig durch Pumpen erzeugt werden, wie dies für größere Gefäße der Fall ist. Die ungewöhnliche Art ein lokales Vakuum zu erzeugen ist aber kein Selbstzweck für die Forscher des Fachgebiets Chemische Hybridmaterialien. Letztlich geht es darum die leeren Käfige zu nutzen, um andere Stoffe, wie zum Beispiel Wasserstoff, energieunaufwendig zu aktivieren und zur Reaktion zu bringen. Bislang kann man dies schon mit Edelmetallkatalysatoren wie beispielsweise Palladium und Platin. Diese Metalle sind aber letztlich sehr teuer und ihr Preis wird noch steigen, bedingt durch den Rohstoffbedarf wirtschaftlich aufstrebender Volkswirtschaften in Asien. Außerdem verbleiben bei Verwendung von Edelmetallkatalysatoren meist winzige Spuren des teuren Metalls im Produkt; dies ist nicht nur ein kostspieliger Verlust, sondern oft sind auch die Folgen nichtzweifelsfrei absehbar. Deshalb besteht für die Herstellung von Medikamenten und Wirkstoffen zunehmend der Wunsch metallfreie Katalysatoren zu verwenden. Diese Strategie steckt zwar noch in den Kinderschuhen wird aber mittel- und langfristig von großer Bedeutung werden. Um das umhüllte Vakuum ihrer molekularen Käfige für derartige Zwecke nutzbar zu machen ist es den Forscherinnen und Forschern des Fachgebiets Chemische Hybridmaterialien unter Pietschnigs Leitung erstmals gelungen einen solchen molekularen Käfig mit einer Art Tür zu versehen und den Mechanismus zum Öffnen und Schließen dieses Zugangs zu untersuchen. Im Experiment konnte durch Röntgenbeugung der Käfig exakt vermessen und auch die Abwesenheit kleiner Moleküle im Käfiginneren bewiesen werden. Mittels theoretischer Berechnungen konnten die Forscher zeigen, dass beispielsweise die Energie, die nötig ist um ein Wasserstoffmolekül in einzelne Atome aufzuspalten sich drastisch verringert wenn der Wasserstoff durch solch eine Tür in das Innere eines molekularen Käfigs schlüpfen kann. Neben Anwendungen in der Katalyse können molekulare Käfige aber auch als Zusätze in Kunststoffen und Folien dienen und dort die Gasdurchlässigkeit steuern. Aber auch die Entflammbarkeit von Kunststoffen lässt sich durch derartige Beimengungen reduzieren und somit die Brandsicherheit letztlich erhöhen. Im Hinblick auf physikalisch relevante Größen wie Wärmeleitfähigkeit und elektrische Permittivität ermöglichen molekulare Käfige interessante Eigenschaften, die darauf beruhen, dass sie letztlich ein molekular umhülltes Vakuum darstellen.

Durch Oberflächenmodifizierung erzeugtes Raster aus hydrophilen und hydrophoben Bereichen
Kontaktwinkelmessung an einer nach Silanolbehandlung wasserabweisenden Oberfläche

Umweltfreundliche Tenside

Die Bausteine aus denen die bereits erwähnten Käfige aufgebaut sind können aber noch mehr. So haben die Kasseler Forscher herausgefunden, dass diese sich in Lösung kugelförmig oder lamellar zusammenballen und zum Teil hochorganisierte Strukturen bilden können, ähnlich den Zellmembranen, die lebende Zellen umhüllen. Dabei sind diese Silanole, die sich als siliziumbasierte Alkohole verstehen lassen, aber noch deutlich robuster als ihre natürlichen Pendants, so dass dies auch bei höheren Temperaturen oder in ungewöhnlichen Lösungsmitteln geschieht. Besonders interessant ist auch, dass sie die Oberflächenspannung von Wasser stark erniedrigen können und somit als Tenside, also waschaktive Substanzen, zu fungieren vermögen. Dies ist auch unter Nachhaltigkeitsaspekten eine interessante Eigenschaft, da der Einsatz phosphorbasierter Tenside einerseits durch einen prognostizierten Mangel an natürlichen Phosphorressourcen („peak-phosphorus“ analog zu „peak oil“), andererseits durch die eutrophierende Wirkung in natürlichen Oberflächengewässern nicht ideal ist. Silanolbasierte Tenside könnten hier eine attraktive Alternative darstellen, meint Pietschnig, da sie biologisch abbaubar und toxikologisch unbedenklich sind. Der Siliziumanteil dieser Tenside würde letztlich wieder in harmlose Silikate überführt, die ohnehin allgegenwärtig als Gesteine oder Sand in der Natur vorkommen.

Medikamente auf Silizium Basis

Auch neuartige Wirkstoffe lassen sich unter Verwendung des Elements Silizium designen. Dies ist ungewöhnlich, denn Organosiliziumverbindungen kommen in der Natur normalerweise nicht vor, obwohl Silizium das zweithäufigste chemische Element in der Erdkruste ist. Dennoch ähneln bereits einfache Silanole natürlichen Stoffen in ihrer Molekülgestalt, so dass sich gewisse Enzyme durch diese Stoffe ab und wieder anschalten lassen. Unter Verwendung dieser siliziumhaltigen Baueinheiten haben Pietschnig und seine Gruppe ein komplett neuartige pharmakologische wirksame Struktureinheit entwickelt, die in der Lage ist das Enzym Acetylcholinesterase zu hemmen, was bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson von Interesse ist. Bislang war eine derartige Hemmung nur mit komplexen Naturstoffen möglich, die entweder aufwendig isoliert oder synthetisiert werden müssen. Die von den Forschern entwickelten Wirkstoffe auf Siliziumbasis sind hingegen deutlich einfacher zugänglich und zudem toxikologisch unbedenklich.

Durch viele Heteroatome sinkt die Bandlücke in Molekülen, wodurch sie farbig erscheinen

Massgeschneiderte Oberflächen

Oberflächen sind oft ganz anders als das Innere, welches sie umhüllen. So bestehen Diamanten im Inneren aus Kohlenstoff, aber an der Oberfläche enden die Valenzen der Atome nicht im Leeren sondern sind durch andere Atome abgesättigt, welche bei der Entstehung des Diamanten gerade zur Verfügung standen. Dies ist bei geologisch entstandenen Diamanten in der Regel Wasserstoff, wodurch die Oberfläche lipophil wird, kann aber zusätzlich auch Sauerstoff sein wodurch die Oberfläche hydrophil wie bei Silikatgestein wird. Dieser Umstand wurde bereits in der Antike genutzt, wo die fettigen Häute geschlachteter Tiere benutzt wurden um Diamanten von körnigem Gestein zu trennen. Aber nicht nur bei der Diamantsuche, sondern auch im Alltag ist die Oberflächenstruktur von großer praktischer Bedeutung. So müssten beispielsweise Aluminium (Alufolie) oder Zink (verzinkter Stahl) eigentlich mit Wasser reagieren und sich darin auflösen. Das dies nicht sofort geschieht ist ebenfalls eine Folge u.a. der Oberflächenstruktur, in diesem Fall einer festhaftenden undurchlässigen Oxidschicht, die diese Metalle vor dem direkten Kontakt mit Wasser schützt. Dieses Beispiel unterstreicht die Bedeutung, die der Kontrolle der Oberfläche zukommt und die letztlich die Reaktivität eines Stoffs oder Materials entscheidend beeinflussen kann. Im Fachgebiet Chemische Hybridmaterialien untersuchen Prof. Pietschnig und sein Team wie sich organische Moleküle an anorganische Oberflächen chemisch anbinden lassen. Dadurch lässt sich Glas wasserabweisend gestalten, so dass beispielsweise bei einer Windschutzscheibe im Auto auch bei Regen ein besserer Durchblick herrscht. Aber auch für die Elektronik wichtige Siliziumwafer lassen sich so wasseranziehend oder -abweisend gestalten, was für die Besiedelung mit lebenden Zellen auf einem derartigen Raster nutzbar sein könnte. Verglichen mit bisherigen Beschichtungsverfahren ist das von den Kasseler Forschern entwickelte System besonders schonend und erlaubt auch die Beschichtung pH-sensibler Materialien etwa auf Basis von Biopolymeren wie zum Beispiel Cellulose.

Organische Elektronik

Hybrid-Farbstoffe können je nach Umgebung unterschiedliche Fluoreszenz zeigen

Das innovative Feld der organischen Elektronik fasziniert Pietschnig und seine Mitarbeiter ebenfalls. Flexible und leichte Displays aber auch Batterien und Informationsspeicher könnten in Zukunft organischer werden. In diesem Kontext sieht er besondere Möglichkeiten durch den gezielten Einbau von Heteroatomen, also Nicht-Kohlenstoffatomen, die dafür sorgen, dass Ladungsträger leichter beweglich werden bzw. Licht aussenden oder einfangen können. In Zusammenarbeit mit Forschern aus Kanada und Frankreich ist es der Arbeitsgruppe gelungen Fluoreszenzfarbstoffe zu entwickeln, die in Abhängigkeit von ihrer Umgebung unterschiedliche Farben aufweisen. Die besonderen Eigenschaften lassen sich dabei auf das darin enthaltene Element Phosphor zurückführen. Aktuell steht die bündelweise Stapelung von ausgedehnten, elektrisch leitfähigen Molekülen (p-Systemen), zusammengehalten durch molekulare Spangen, ganz oben auf der Agenda. Diese Stapel können die Ladungsträger (Elektronen) leichter weiterreichen als in einer ungeordneten Struktur. Da diese Stapel zudem auch mit Licht wechselwirken können, ist eine Vision diese Stapelung zukünftig helikal, also schraubenförmig, anzuordnen, damit die Wechselwirkung mit unterschiedlich polarisiertem Licht unterscheidbar wäre.

Stapelung von Bündeln organischer π-Systeme zusammengehalten durch molekulare anorganische Spangen

Energiespeicher

Die Speicherung von Energie ist eine globale Herausforderung von wachsender Bedeutung. Hier planen die Forscher des Fachgebiets Chemische Hybridmaterialien in Zusammenarbeit mit Ingenieuren der Universität Kassel neue Materialien zur Speicherung von thermischer Energie, also Wärme, zu erproben. In unserer Klimazone wird im Jahresmittel der größte Teil des Energiebedarfs nämlich in Form von Wärme benötigt, um zu Heizen und für die Warmwasserbereitung. Energie steht häufig auch ausreichend aus natürlichen Quellen zur Verfügung, aber oft nicht zu dem Zeitpunkt zu dem sie benötigt wird. Neue Speichermaterialien sollen hier helfen die Wärme zu speichern und damit gleichsam lagerfähig zu machen. Prof. Pietschnig findet, dass diese Kooperation ein schönes Beispiel für das interdisziplinär befruchtende Miteinander von Grundlagenforschung und Anwendung an der Universität Kassel ist.

Unter Schutzglas in einer sogenannten „Glove-Box“ können die Forscher auch empfindlichste Substanzen handhaben


Ansprechpartner

Professor Rudolf Pietschnig

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Fachbereich 10 - Naturwissenschaften & Mathematik
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