Kolloidchemie - Prof. Koetz

Kolloide im Profilbereich "soft matter"

Was hat Kolloidchemie eigentlich mit "weicher Materie" zu tun?

Kolloid leitet sich vom griechischen Wort "colla" (Leim) ab. Nach Thomas Graham (1861) bezeichnet man leimähnliche Substanzen, die sehr langsam diffundieren als Kolloide. Demnach sind Kolloide a priori der "weichen Materie", oder besser der "leimartigen" Materie, zuzuordnen!

Im Laufe der letzen 150 Jahre hat der Begriff Kolloid jedoch eine weitgehende Wandlung erfahren. Nach Wolfgang Ostwald versteht man unter Kolloiden winzig kleine Partikel oder Tröpfchen einer Substanz (mit einem Partikeldurchmesser kleiner 500 nm), welche in einem Dispersionsmittel gleichmäßig verteilt sind. Auf Grund der extrem kleinen Partikeldimension, weisen solche nanostrukturierten Systeme extrem große Oberflächen auf. So kann die Partikeloberfläche in einem Volumen von nur einem Liter die Größe mehrerer Fußballstadien überschreiten. Dies impliziert völlig neue Eigenschaftsprofile und eröffnet neue Anwendungsgebiete.

Die ersten "Forscher", die Nanopartikel herstellten, waren die Alchemisten. Ohne den Mechanismus der Herstellungsmethode zu begreifen, stellten sie farbige Golddispersionen (Goldtinkturen) her, welche als "Lebenselexier" eingesetzt wurden, allerdings ohne durchschlagenden Erfolg, wie wir heute wissen!

Ziel aktueller Forschungsstrategien ist es, solche nanostrukturierten Systeme mit definierter Partikeldimension gezielt herzustellen und anzuwenden.

Dabei zeigt uns die Natur einen äußerst interessanten Weg, indem sie durch Ausnutzung von Selbstorganisationsphänomenen anorganische Materie durch biologische Formprozesse strukturiert. Diesen Vorgang bezeichnet man allgemein auch als Biomineralisierung, Beispiele sind hierfür z.B. Kieselalgen, Perlmutt oder aber auch Knochen und Zähne. Bild 1 zeigt beispielhaft eine elektronenmikroskopische Aufnahme der hochgeordneten SiO2-Struktur von Kieselalgen (Diatomeen). Als Prägematrix benötigt die Natur in diesen Fällen jeweils organische Verbindungen, z.B. Kohlenhydrate und Proteine.

Bild 1: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der hochgeordneten SiO2-Struktur von Diatomeen.

Adaptiert man die "Synthesestrategien" der Natur, so benötigt man zunächst ein Templat, das heißt eine Prägematrix auf der Nanometerskala, welche sich nach Möglichkeit "selbst organisiert". Derartige "Selbstorganisationsprozesse" sind immer dann zu erwarten, wenn das untersuchte System "amphiphile" Eigenschaften aufweist, das heißt eine "Hassliebe" mit dem umgebenden Medium aufbaut. Ein derartiges Eigenschaftsprofil weisen insbesondere Tenside auf. Nach diesem "Strickmuster" baut die Natur beispielsweise Membranstrukturen aus Phospholipiden auf. Im Sprachgebrauch des Kolloidchemikers sind dies nichts anderes als selbstorganisierte Doppelschichtmembranen, welche aus doppelschwänzigen amphoteren Tensidmolekülen (Phospholipide) aufgebaut sind.

Inspiriert von diesem Bauprinzip der Natur konzentrieren sich unsere Forschungsaktivitäten insbesondere auf die Rolle von Polyelektrolyten in selbstorganisierten Tensidsystemen. Dabei interessieren uns einerseits lamellare flüssigkristalline Systeme, das heißt künstliche Biomembransysteme, und andererseits selbstorganisierte Öl/Wasser/Tensid-Systeme und deren Wechselwirkung mit geladenen Polymeren (Polyelektrolyte) sowie deren Eignung als Templatphase für die Nanopartikelbildung.

Dabei nimmt die Herstellung, Charakterisierung und Anwendung von Nanopartikeln definierter Form und Größe einen zentralen Platz im Rahmen der aktuellen Forschung ein.