Das Team um Prof. Dr. Alex J. Plajer an der Universität Bayreuth hat in enger Zusammenarbeit mit Forschenden der Freien Universität Berlin ein neuartiges Molekül mit flacher Geometrie hergestellt, das den bisherigen Umgang mit Wasser in der Chemie grundlegend umkehrt. „Wir haben die Bausteine unserer Materialien so entworfen, dass sie spezielle Bindungsstellen besitzen, die wie eingebaute Steckplätze für Wassermoleküle funktionieren“, erklärt Prof. Plajer. Eine Besonderheit dabei ist, dass die Wassermoleküle an diesen „Steckplätzen“ die Bausteine miteinander verbinden und so das Material physisch zusammenhalten sowie dessen Form und Funktion bestimmen.
„Das ist besonders bemerkenswert, da Wasser künstliche Strukturen dieser Art häufig destabilisiert. Unser neues Material hingegen könnte ohne die Wassermoleküle in dieser Form gar nicht existieren. Anstatt das Wasser von den strukturgebenden Bausteinen fernhalten zu müssen, haben wir es gezielt als strukturellen Baustein in die Struktur integriert“, erklärt Merlin R. Stühler, Erstautor der Studie und Doktorand von Alex Plajer. Werden die Bausteine in reines Wasser gegeben, ordnen sie sich selbstständig zu langen, röhrenförmigen Nanofasern an. So entstehen Hydrogele, die je nach Temperatur weicher oder fester werden und sich gezielt abbauen lassen.
Die besondere Struktur der Nanofasern konnte am Forschungszentrum für Elektronenmikroskopie (FZEM) der Freien Universität Berlin aufgeklärt werden. „Wir nutzten die Single-Particle-Analyse, eine Methode, die bisher vor allem in der Biologie zur Untersuchung von Proteinen und Viren eingesetzt wurde, um die Struktur der Fasern mit herausragender Präzision zu entschlüsseln“, erklärt Prof. Plajer. „Diese Methode hat es uns ermöglicht, die genaue Anordnung der Moleküle zu visualisieren und zu verstehen, wie sie zusammenwirken, um die einzigartigen Eigenschaften des Materials zu erzeugen.“
Die eingeschlossenen Wassermoleküle ermöglichen zudem die Übertragung von Information innerhalb der Struktur: Treffen die Nanofasern auf andere Moleküle, die eine bestimmte räumliche Ausrichtung haben, wie etwa natürlich vorkommende Aminosäuren, kann das Material diese Ausrichtung erkennen und übernimmt sie. So verdrehen sich die Nanofasern gezielt passend zu ihrer Umgebung. „Auf lange Sicht könnte unser Material aufgrund dieser Eigenschaften als biologischer Sensor oder in medizinischen Anwendungen Verwendung finden. Unsere Studie zeigt somit, dass Wasser in der Entwicklung wasserbasierter Materialien nicht nur stört, sondern gezielt Strukturen aufbaut, stabilisiert und ihnen Funktion verleiht“, schließt Plajer.
