Chemiker bringen Wassertropfen in Form
Baku, den 25. Oktober (AZERTAG). Wassertropfen haben eine typische Form. Solange sie nicht gefrieren, lassen sie sich schlecht in einer anderen halten. Mit Hilfe blockierender Nanoteilchen wollen Chemiker das ändern - das könnte für Medikamente ebenso nützlich sein wie für Schmiermittel.
Autofahrer stehen nur ungern im Stau. Niemand mag es, machtlos festzustecken. US-amerikanische Polymerforscher haben allerdings etwas übrig für den völligen Stillstand. Sie nahmen ihn sich sogar zum Vorbild für ein Gemisch aus Nanopartikeln und Wasser. Anders als ein ärgerlicher Verkehrsstau könnten verkeilende Nanopolymere aber dem Transportwesen sogar nutzen und vielleicht auch in der Medizin Anwendung finden.
Die Forscher um Mengmeng Cui von der University of Massachusetts Amherst berichten im Fachmagazin „Science“, wie sie Wassertropfen mit Polystyren-Nanopartikeln versetzten. Anschließend platzierten sie die Tropfen in einem Bad aus zähflüssigem Silikonöl. Die Nanoteilchen erzeugten an der Grenzfläche von Wassertropfen und Öl dabei einen „Stau“, der die Form der Tropfen konservierte. In etwa wie eine Haut, die die Tropfenstruktur stabilisierte. Auch nachdem die Wissenschaftler aufhörten an den Tropfen zu zerren, kehrten die Tropfen nicht in den ursprünglichen Zustand zurück: die zuvor energetisch günstigste Kugelform. Prinzipiell ließen sich Wasserblasen so dauerhaft in viele mögliche Formen zwängen.
Um die Tropfen zu verformen und dabei besser beobachten zu können, nutzten die Forscher unter anderem ein elektrisches Feld. Mit ihm zogen sich die Wassertropfen in die Breite, ohne dass sie direkt berührt werden mussten. Da Wassermoleküle sogenannte Dipole sind, bei denen die positiven und negativen Ladungsschwerpunkte nicht aufeinanderfallen, reagierten die Tropfen auf das Feld und flachten sich ab. Schalteten die Forscher das elektrische Feld ab, verharrten die Wassertropfen sehr lange in dieser ungewöhnlichen Form. Sie zogen sich sogar über Wochen hinweg nicht wieder zusammen.
Wirkstoffe nach Belieben freisetzbar - Beim Verformen vergrößert sich die Oberfläche der Tropfen, erklären die Chemiker in ihrer Studie. Dadurch befinden sich auch mehr Nanopartikel an den Grenze zwischen Öl und Wasser, die sich ineinander verkeilen können. Die dabei auftretenden Kräfte verhindern eine eigenständige Formveränderung, schreiben sie. Es sei zwar möglich die Tropfen viele weitere Male zu beeinflussen, aber äußere Kräfte seien dafür nötig. Die Flüssigkeit selbst verliert ihre Fähigkeit, sich wieder zusammenzuziehen.
Der Mitautor der Studie und Forschungsgruppenleiter Thomas Russell sieht großes Potential in der Technik auf kleinster Ebene. „Jeder wasserlösliche Stoff wie ein Medikament, Farb- oder Aromastoff lässt sich in die Tropfen einschließen.“ Durch Änderung des pH-Wertes der Flüssigkeit ließe sich der Stau aus Nanopolymeren auflösen. Die Stoffe könnten auf Wunsch abgegeben werden, sagt er. Das ermöglicht eine zeitlich steuerbare oder von bestimmten Umgebungsbedingungen ausgelöste Freisetzung von Wirkstoffen. Wenn auch die Wissenschaftler von einer Anwendung im menschlichen Körper weit entfernt sind, könnten ähnliche Tropfen womöglich als Darreichungsform in der Medizin nutzbar sein.
Rohrsysteme mit Polymerwänden - Doch auch in ihrem stabilen Zustand könnten sich beliebig formbare Blasen nutzen lassen. Im Transportwesen ließen sie sich als kleine Flüssigkeitsbehälter einsetzen. „Da solche Systeme flüssig sind, könnten sie die in ihnen enthaltenen Stoffe gegen schnelle Bewegungen und Stöße absichern“, so Russell. Für besonders reaktive oder empfindliche Chemikalien oder Materialien sei das besonders attraktiv. Bereits heute ist es in Laboren üblich, sehr reaktionsfreudige Feststoffe wie beispielsweise Natrium vor der Luft geschützt in Flüssigkeiten wie Paraffinöl zu lagern.
Sollte es den Forschern zukünftig gelingen, die Formen der Tropfen gezielt und in feinen Strukturen zu stabilisieren, gäbe es weitere Anwendungsgebiete, beispielsweise in der Steuerung von Strömungen. Erste Versuche im Rahmen der Studie zeigen, dass kleinste Mikro-Rohrleitungen durchaus möglich seien, so Russell. „Wir wissen noch nicht, wie klein wir die herstellen können“, sagt er. „Aber mit einem System aus Wasserröhrchen in Öl ließen sich Materialien von A nach B transportieren.“ Viele winzige Kanäle auf Mikro- oder Nanoebene könnten Wege schaffen, die zum Beispiel in Schmiermitteln zusätzliche Stoffe an- und sogar abtransportieren könnten.
Die immer wieder veränderbaren kleinen Wasserkanäle würden dabei durch die Nanopartikel stabil gehalten, die ein Art Rohrwand bilden. Im Gegensatz zu festen Leitungen ließen sie sich jedoch bei Bedarf schnell umbauen. Und nicht nur die Wasserrouten könnten Stoffe befördern. „Natürlich ließe sich das Öl auch nutzen“, erklärt Russell. Ein ungewöhnlichen Effekt könnten die Forscher damit erzielen: „Unabhängig von den Wirkstoffen in den Wasserröhrchen könnten wir andere im Öl in die entgegengesetzte Richtung fließen lassen.“
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