Weben mit Nanofäden

Forscher aus der Gruppe von Helma Wennemers, Professorin am Laboratorium f¨¹r Organische Chemie, haben ihre chemischen Webst¨¹hle in Gang gesetzt und ein einzigartiges molekulares Nano-Gewebe kreiert. Dieses Gewebe besteht aus verflochtenen organischen Molek¨¹lf?den mit ganz besonderen Eigenschaften.

Die meisten gewobenen Textilien bestehen aus sogenannten Schussf?den und Kettf?den, die senkrecht miteinander verkn¨¹pft werden. So wird ein zweiachsiges Gewebe hergestellt, das mechanisch widerstandsf?higer ist als die einzelnen F?den. Forscher haben dieses Prinzip rechtwinklig verwobener F?den mit Hilfe von Metallen bereits auf Molek¨¹lsysteme ¨¹bertragen, um stabile Nanomaterialien zu schaffen.

Wennemers und ihre Gruppe sind nun einen Schritt weiter gegangen. In Zusammenarbeit mit Klaus M¨¹llen, Professor am externe Seite Max Planck-Institut f¨¹r Polymerforschung in Mainz, erzeugten sie das erste Nanogewebe aus drei Str?ngen, die aus rein organischen Molek¨¹len aufgebaut sind. Um es in Analogie zur Weberei auszudr¨¹cken: Dieses molekulare Gewebe hat zwei Kettf?den, die sich ¨¹berlagern, aber nicht verflochten sind, und einen Schussfaden, der das Gewebe verriegelt. In der japanischen Flechtkunst ist ein solch dreiachsiges Gewebe auch als Kagome bekann.

Die F?den des Nanogewebes bestehen alle aus demselben organischen Grundbaustein. Dieser wiederum wurde von den Forschern aus drei Molek¨¹l-Untereinheiten synthetisiert. Die Basis des Grundbausteins bildet ein spiralf?rmiges Peptid, eine sogenannte Oligoprolin-Helix, die mit dem nat¨¹rlichen Eiweiss Kollagen verwandt ist. An jedem Ende des spiralf?rmigen Peptids sind zwei Perylen-Monoimide befestigt. Diese scheibenf?rmigen Molek¨¹le sind daf¨¹r bekannt, dass sie durch spezielle Wechselwirkungen aneinander haften k?nnen. Dies sind die idealen Voraussetzungen, dass sich aus dem so hergestellten Grundbaustein automatisch lange F?den bilden.

Doch wie verkn¨¹pft man solche F?den zu dem dreiachsigen Kagome-Gewebe? Dieses entsteht spontan, wenn man die Grundbausteine in L?sung abk¨¹hlen l?sst. Dadurch organisieren sich die Molek¨¹le selbst, was auf dem ausgekl¨¹gelten Design der Grundbausteine beruht: Durch geeignete Wahl der L?nge der Oligoprolin-Kette und mit Hilfe des richtigen Abstandes zwischen den Perylen-Monoimiden entstehen l?ngere F?den, die abwechslungsweise oben und unten einen Spalt haben.

In den oberen Spalt passen nun perfekt um 60 Grad gedrehte F?den und in den unteren Spalt jeweils F?den, die um 120 Grad gedreht sind. So entsteht das dreiachsige Kagome-Gewebe. An den Kreuzungen dreier F?den sorgen wiederum die Perylen-Monoimide daf¨¹r, dass sich die Gewebestruktur nicht verschieben kann. Die Kagome-Struktur ist unter dem Elektronenmikroskop gut erkennbar.

?Durch das perfekte Zusammenspiel der molekularen Bausteine konnten wir ein v?llig neues, selbstorganisierendes Gewebe mit einer faszinierenden Topologie herstellen?, sagt Helma Wennemers. ?Zudem konnten wir zeigen, dass es wie makroskopische Gewebe viel robuster ist, als die einzelnen F?den, aus denen es besteht.? Ausserdem gelang es den Forschenden, Metallnanopartikel in die Zwischenr?ume des Gewebes einzulagern. Das rein organische Gewebe k?nnte in Zukunft f¨¹r die Entwicklung von neuartigen Katalysatoren zum Einsatz kommen oder Anwendungen in der Sensorik, Gasspeicherung und -reinigung finden.