Molekularer Formationstanz beobachtet – Choreographie aufgeklärt

Methoden zur Untersuchung von Strukturbildung in Materialen – großer Anwendungsbezug

Man stelle sich Tänzer vor, entweder schwarz oder weiß gekleidet, mit extrem langen spaghettiartigen Armen, wobei jeder schwarze Tänzer fest die Hand eines weiß gekleideten hält. Dies ist eine Analogie zu den von der Nachwuchsforschergruppe des Bayreuther Physikers Privatdozent Dr. Robert Magerle (Bild) untersuchten Molekülen: Blockcopolymere sind langkettige Makromoleküle, die aus zwei chemisch unterschiedlichen Teilen bestehen und so lang und flexibel sind, daß sie völlig ineinander verschlungen sind, ähnlich wie frisch gekochte Spaghetti.

Die Unordnung macht es unmöglich zu erkennen, zu welchem Tänzer ein bestimmter Arm gehört. Aus der Ferne betrachtet, wenn einzelne Tänzer nicht mehr unterscheidbar und nur ein mittlerer Farbton erkennbar ist, wird jedoch ein regelmäßiges Muster sichtbar. An manchen Bereichen der Tanzfläche sind mehr schwarze Tänzer als weiße und umgekehrt. An diesem Phänomen fasziniert, dass es auf einer sehr einfachen Regel beruht: ”Gleich und gleich gesinnt sich gern”. Im Fall der Blockcopolymere werden die Bereiche, an denen sich gleichartige Tänzer gruppieren, Mikrodomänen genannt und sie können unterschiedliche Formen annehmen, wie Kugeln, Stäbe, Lamellen und komplizierte Strukturen, je nach der Art und der Architektur der Moleküle.

In der aktuellen Arbeit der Bayreuther Forscher, die in der Dezember-Ausgabe von Nature Materials veröffentlicht wird (online am 28. November 2004, 19.00 MEZ), haben sie mit Rasterkraftmikroskopie die Musterbildung in einem dünnen Film von Blockcopolymeren gefilmt. In der Analogie des Tanzes entspricht der dünne Film einer Situation, in der die Tänzer auf eine schmale, korridorartige Tanzfläche eingeschränkt sind. Hier bilden sich neue Muster, die völlig anders sind als die, die sich auf einer unbegrenzt großen Tanzfläche bilden würden. Die Wissenschaftler beobachteten, wie Stäbe ihre Orientierung ändern und wie sie sich in ein neues Muster umwandeln, das als perforierte Lamelle bezeichnet wird. Die diesem Prozeß zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien entsprechen der Choreographie des Formationstanzes.

Eine Computersimulation enthüllt diese Choreographie, indem sie alle elementaren Schritte der Musterumwandlung sehr detailliert wiedergibt. Erstaunlicherweise, so die am Lehrstuhl Physikalische Chemie II angesiedelten Forscher, ist die Choreographie recht einfach und basiert nur auf lokalen Regeln. Die Breite des Korridors und wie sehr eine Art Tänzer die Nähe der Wände bevorzugt sind die beiden Parameter die das Muster bestimmen. Wenn einer dieser beiden äußeren Parameter sich ändert, findet eine Musterumwandlung statt, bei der jeder einzelne Tänzer einer lokalen Regel folgt: Er versucht sich in einen Bereich zu bewegen in dem sich mehr Tänzer seiner Art befinden, wobei er jedoch immer seinen ungleichen Partner festhält.

Die Wissenschaftler erwarten, dass ihre Ergebnisse in verschiedenen Bereichen Auswirkungen haben werden, da Blockcopolymere und nanostrukturierte Flüssigkeiten in Natur und Technik sehr häufig sind. Sie sind die physikalisch-chemische Grundlage für die Strukturbildung in lebenden Zellen und sie sind sehr oft in pharmazeutischen Produkten, Kunststoffen und vielen anderen Anwendungen zu finden.

Die von Robert Magerles Forschergruppe vorgestellten Methoden und das Computermodell können verwendet werden, um in diesen Materialien Strukturbildungsprozesse zu untersuchen und vorherzusagen. Man erwartet sich einen großen Einfluß auf die Nanotechnologie wo Blockcopolymere als selbstorganisierte Template für die Herstellung von anorganischen nanostrukturierten Materialien eingesetzt werden. Zum Beispiel sollen bei der nächsten Generation von Computerfestplatten mit Blockcopolymertemplaten strukturierte magnetische Schichten verwendet werden, um die Speicherdichte und Gesamtkapzität zu erhöhen.

Weitere Informationen bei

Priv-Doz. Dr. Robert Magerle
Universität Bayreuth
Physikalische Chemie II
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fax +49-921-55-2071
E-mail: robert.magerle@uni-bayreuth.de