Werkstoffeigenschaften von Bio-Aerogelen und responsiven Biomaterialien: Steuerung durch Phasenübergänge in biopolymerbasierten Gelen

• Antragsteller: Professor Dr. Pavel Gurikov
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490816500

Synthetische Polymergele werden häufig auch als „intelligente“ Materialien bzw. Werkstoffe bezeichnet und sind in der Lage Konformationsänderungen durch äußere Stimuli zu erfahren. Insbesondere besteht bei Gelen durch die Zugabe von Nichtlösungsmitteln die Möglichkeit einer ausgeprägten, mitunter auch diskontinuierlichen Volumenverringerung. Einhergehend mit dem Bestreben nach einer sog. „Green Economy“ ergibt sich folgende Frage: Können biobasierte Gele die etablierten "intelligenten" erdölbasierten Gele ersetzen und darüber hinaus womöglich sogar neue Anwendungsfelder ermöglichen? Bis dato finden Lösungen und Gele auf der Basis von natürlichen Polymeren (Polysacchariden) hauptsächlich in der Lebensmittel-, der Kosmetik- und der Pharmaindustrie Einsatz. Das nun vorliegende Projekt verfolgt dabei zwei Ziele: i) Schaffung eines grundlegenden Verständnisses für die Phasenübergänge von Biogelen in Nicht-Lösungsmitteln und deren Mischungen; ii) dieses Wissen für die Entwicklung von Bio-Aerogelen und neuartigen, auf Biogelen basierenden, reaktionsfähigen Materialien (Sensoren) mit kontrollierter Struktur und Eigenschaften zu nutzen. Die unlängst entdeckten Bio-Aerogele stellen offenporige Festkörpernetzwerke mit hoher Porosität (≥ 90%), hoher spezifischer Oberfläche (mindestens einige hundert m2/g) dar und sind zugleich nanostrukturiert (hauptsächlich mesoporös). Bio-Aerogele entstehen durch Polymerauflösung, Lösungsgelierung, einem Lösungsmittelaustausch sowie einer nachfolgenden Trocknung mittels überkritischem CO2. Der Lösungsmittelaustausch stellt dabei den entscheidenden Arbeitsschritt bei der kotrollierten Strukturherstellung von Bio-Aerogelen dar. Zur Herstellung „intelligenter“ Biomaterialien mit der Eigenschaft auf äußere Einflüsse reagieren zu können, bedarf es einer hohen Sensitivität gegenüber geringfügiger Änderungen der Lösungsmittel-, sowie der Nichtlösungsmittel-Zusammensetzungen. Die thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften von Biogelen in einem Nicht-Lösungsmittel Gemisch sind daher das Schlüsselelement, das es gilt sowohl experimentell zu untersuchen als auch mit thermodynamischen Methoden zu quantifizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Tatiana Budtova