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Maßgeschneiderte Membranen aus Block-
copolymeren
Blockcopolymere sind Makromoleküle,
welche aus mindestens zwei verschiedenen
Polymeren (d.h. Kettenmolekülen, die aus
gleichartigen Wiederholungseinheiten
aufgebaut sind) zusammengesetzt sind.
Aufgrund der Tatsache, dass verschieden-
artig aufgebaute Polymere sich in den
meisten Fällen nicht miteinander mischen
lassen, kommt es zu Phasentrennung, so
wie man das im Alltag z.B. von Wasser und
Öl kennt. Wenn verschiedenartige Polymere
miteinander zu einem Blockcopolymer ver-
bunden sind, so tritt diese Phasentrennung
nur auf einer mikroskopischen Längenskala
auf, weil eine makroskopische Entmischung
durch die Verbindung beider Polymerblöcke
verhindert wird. Diese sogenannte Mikro-
phasenseparation führt zu verschiedenen
Morphologien, welche von der chemischen
Zusammensetzung der Polymerblöcke,
der Zahl der Blöcke, deren relativem
Volumenverhältnis und deren Topologie
(linear, verzweigt, zyklisch,…) abhängt.
Weiterhin spielt die Herstellung aus der
Schmelze bzw. aus Lösung eine große Rolle
auf die Morphologie, die insbesondere bei
hochmolekularen Systemen oft nicht dem
thermodynamischen Gleichgewicht (d.h.
dem Zustand mit niedrigster Freier Energie)
entspricht.
Abbildung 1: Rasterelektronische Aufnahme
des Querbruchs einer Blockcopolymermem-
bran
Arbeitskreis Polymere, Institut für Physikalische Chemie
Leiter: Prof. Dr. Volker Abetz
Der Arbeitskreis umfasst ca. 15 Mitarbeiter und beschäftigt sich mit der Selbstorganisation
von Blockcopolymeren. Die Herstellung der Blockcopolymere erfolgt mit Hilfe von kontrol-
lierten Polymerisationsverfahren. Die Struktur und Dynamik dieser Systeme werden mit Hilfe
von Mikroskopie, Streuung sowie Rheologie charakterisiert. Die Kontrolle der physikalisch-
chemischen Eigenschaften dieser Materialien ist wesentlich für deren Einsatz in verschiedenen
Gebieten der Nanotechnologie.
Durch ein Wechselspiel zwischen ther-
modynamischer Triebkraft und kineti-
schen Eigenschaften des Systems können
verschiedene Strukturen erzeugt werden,
wenn man beispielsweise einen Film aus
einer Blockcopolymerlösung in ein Fällbad
taucht. Bei geschickter Wahl der Parameter
(und deren gibt es viele!) kann ein poröser
Film erhalten werden, der einen Gradien-
ten der Porosität entlang der Filmdicke
aufweist. Die Oberseite dieses Films kann
eine regelmäßige Porenstruktur aufweisen,
welche solchen Filmen ein großes Potenzial
als Mikro- oder Ultrafiltrationsmembra-
nen zukommen lässt. Solche Membranen
wurden erstmalig im Helmholtz-Zentrum
Geesthacht entwickelt. Solche Membranen
können kleine Partikel, Viren oder Bakterien
aus wässrigen Lösungen abtrennen, aber
es ist auch möglich, solche Membranen
zur Trennung von Proteinen und anderen
biologischen Makromolekülen zu optimie-
ren. Ziel des Arbeitskreises Polymere ist es,
Blockcopolymere zu entwickeln, welche
zu Membranen mit funktionellen Poren
führen. Die Funktionalitäten reichen dabei
von temperaturschaltbarer Durchlässig-
keit bis hin zur selektiven Erkennung von
Molekülen und Ionen. Ein wesentliches Ziel
dieser Arbeiten ist es, die Strukturbildung
solcher Membranen besser zu verstehen.
Dazu werden Blockcopolymerlösungen
mit Hilfe von Kleinwinkelröntgenstreuung
(SAXS) und elektronenmikroskopischen
Verfahren (insbesondere Cryo-Transmissi-
onselektronenmikropskopie) untersucht,
um die Einflüsse von Konzentration und
Zusammensetzung der Lösung auf den
Strukturbildungsprozess zu bestimmen.
Nanopartikel mit ungewöhnlichen Formen
Ein weiteres Arbeitsgebiet befasst sich mit
der Entwicklung von mikrophasenseparier-
ten Blockcopolymeren, welche als Template
(Masken) zur Herstellung von anorgani-
schen Nanopartikeln verwendet werden
können. Die Herstellung von geometrisch
einfachen nanoskaligen Teilchen wie
Kügelchen, Stäbchen und auch Scheibchen
sind bereits lange bekannt. Mit Hilfe von
Dreiblockcopolymeren können auch unge-
wöhnliche Morphologien erzeugt werden,
wie zum Beispiel
Abbildung 2: Schema von asymmetrisch zu-
sammengesetzten linearen Dreiblockcopo-
lymeren. Die Matrix-bildende Komponente
ist blau dargestellt. Die graue Komponente
soll durch andere Materialien ersetzt werden
und führt z.B. zu metallischen Nanospulen
Morphologien, bei welchen helikale oder
ringförmige Mikrophasen auftreten. Durch
spezifisches Ersetzen der Polymerblöcke
in diesen Mikrophasen durch Salze von
Übergangsmetallen wie z.B. Gold sollen
entsprechende anorganische Nanostruk-
turen erzeugt werden, welche nicht oder
nur sehr schwierig mit anderen Methoden
hergestellt werden können. Solche Teilchen
könnten Potenzial beispielsweise zur Ab-
schirmung hochfrequenter elektromagne-
tischer Strahlung haben, oder für spezielle
optische Eigenschaften genutzt werden.
Hierarchisch organisierte Hybridmaterialien
Abbildung 3: Schema des Aufbaus eines
hierarchisch organisierten Materials, in wel-
chem verschiedene Hierarchieebenen durch
spezifisch wechselwirkende Funktionalitäten
verknüpft sind
