Selbstorganisationsprozesse chemischer Bausteine sind die Basis für viele biologische Vorgänge, zunehmend stoßen sie auch auf Interesse im Bereich der Materialsynthese. Beispielsweise um hochgeordnete Nanokomposite oder hochporöse Materialien mit besonderen Eigenschaften herzustellen. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen Bruno Alonso und Emmanuel Belamie vom Institut Charles Gerhardt aus Montpellier (Frankreich) einen neuartigen, sehr vielseitigen Ansatz vor, mit dem die Synthese einer neuen Familie bioorganisch-anorganischer Nanoverbundmaterialien im großen Maßstab gelingt – mit bisher unerreichter Kontrolle über die Beschaffenheit und Struktur der Produkte.

Nanoverbundmaterialien oder Nanokomposite sind Feststoffe aus verschiedenen Materialien, bei denen einer der Stoffe als Nanopartikel vorliegt. Ihre Eigenschaften unterscheiden sich deutlich von denen der reinen Komponenten. Nanokomposite können auch als „Gussformen“ zur Herstellung poröser Stoffe dienen. Diese sind z.B. als Gasspeicher, Katalysatoren und zur Stofftrennung interessant.

Die Forscher wählten das Sol-Gel-Verfahren für ihre Synthese, eine gängige Herstellungsmethode für anorganische Netzstrukturen. Im ersten Schritt mussten sie ein Sol herstellen, eine Suspension aus feinst verteilten nanoskopischen Teilchen in einem Lösungsmittel. Das Herausforderung war, eine gemeinsame Suspension aus zwei verschiedene Komponenten herzustellen: eine Siliziumdioxid-Vorstufe (Siloxan-Oligomere) und Chitin-Nanostäbchen aus einer nachwachsende Ressource: den Schalen von Shrimps. Beide Komponenten benötigen aber unterschiedliche Bedingungen, um stabil suspendiert zu bleiben und nicht unkontrolliert auszuflocken. Die Forscher stellten eine alkoholische Suspension her, indem sie Wasser langsam durch Ethanol ersetzten. Durch langsames Entfernen des Lösungsmittels entsteht ein Gel. Gele sind Wackelpudding-artige Substanzen. Sie enthalten feste, aber lockere quervernetzte dreidimensionale Polymerstrukturen.

Das Sol kann in eine gewünschte Form „gegossen“ und getrocknet oder zu rundlichen Partikeln sprühgetrocknet werden. So entsteht ein Nanokomposit aus vollständig in eine Siliciumdioxid-Matrix eingebundenen Chitin-Stäbchen. Der Mechanismus basiert auf einer selbstorganisierten Zusammenlagerung des Chitins sowie schwachen Anziehungkräften zwischen Chitin und Siloxan-Oligomeren.

Die Stabilität der alkoholischen Suspensionen eröffnet beachtliche Möglichkeiten, Materialien mit einstellbaren Volumenverhältnissen, räumlichen Anordnungen und Morphologien herzustellen. Wird während der Präparation ein Magnetfeld angelegt, erhält man parallel zueinander ausgerichtete Chitin-Stäbchen. Wird das Nanokomposit erhitzt, verbrennen die Chitin-Stäbchen und hinterlassen Hohlräume. So entsteht ein hochporöses Material mit interessanten Eigenschaften.

Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. / IDW / Angewandte Chemie - 26.10.2010.