Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Zielgerichtetes Design definierter Molekülketten

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge.

Lichtinduzierte Synthese ermöglicht ein maßgeschneidertes Moleküldesign. Vergleichbar einer bunten Perlenkette platzieren sich Bauteile an die gewünschte Stelle. (Grafik: KIT)

Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications (DOI: 10.1038/NCOMMS13672).

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die Verknüpfung von Molekülen zu definierten Polymerketten gezielt in Gang zu setzen. „In vielen herkömmlichen Verfahren entstehen Polymerketten unterschiedlicher Länge und die Anordnung der Bausteine entlang der Kette ist zufällig verteilt“, sagt Prof. Christopher Barner-Kowollik vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) am KIT. „Unser Ziel war es, eine lichtinduzierte Methode zum Polymeraufbau zu entwickeln, die die Präzision der Natur erreicht“, so der Inhaber des Lehrstuhls für Präparative Makromolekulare Chemie. Denn die natürlichen Vorbilder, zum Beispiel Proteine, weisen einen exakt definierten Aufbau auf. Das neue lichtinduzierte Syntheseverfahren ermöglicht ein maßgeschneidertes Moleküldesign, bei dem die Bausteine in ihrer Abfolge – vergleichbar dem Muster einer bunten Perlenkette – genau an die gewünschte Stelle platziert werden können.

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„Durch die Kontrolle über den Aufbau des Moleküls, die sogenannte Sequenz, lassen sich die Eigenschaften der Makromoleküle steuern“, sagt Barner-Kowollik. „Sequenzdefinierte Polymere lassen sich möglicherweise auch als molekulare Daten- und Informationsspeicher nutzen.“ Informationen könnten durch die Abfolge der Monomere verschlüsselt werden, ähnlich wie die Natur die Erbgutinformation in der DNA hinterlegt hat.

Die Forschergruppe des KIT um Barner-Kowollik stellt die neue, lichtgesteuerte hochpräzise Polymerisationsmethode unter dem Titel „Coding and Decoding Libraries of Sequence Defined Functional Copolymers Synthesized via Photoligation“ in der Fachpublikation Nature Communications vor. Die Entwickler erwarten, dass das grundlegende Verfahren ein Werkzeug für Chemiker, Biologen und Materialforscher wird und ein Schlüssel für die künftige Makromolekularchemie ist.

Entwickelt wurde das neue Verfahren im Rahmen des Sonderforschungsbereiches (SFB) 1176 „Molekulare Strukturierung weicher Materie“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), der vom KIT koordiniert wird. Neun Millionen Euro stehen dem im Januar 2016 gestarteten SFB in den ersten vier Jahren zur Verfügung.

Publikation:

Nicolas Zydziak, Waldemar Konrad, Florian Feist, Sergii Afonin, Steffen Weidner, and Christopher Barner-Kowollik: Coding and Decoding Libraries of Sequence Defined Functional Copolymers Synthesized via Photoligation. DOI: 10.1038/NCOMMS13672.

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