Assembly

In lebenden Systemen bildet die Anordnung von Molekülen durch nicht-kovalente Wechselwirkungen die Grundlage der biologischen Organisation – von der molekularen Erkennung bis zur Entstehung von Membranen, Organellen und Zellen. Diese dynamische, reversible Organisation erhält die Struktur aufrecht und ermöglicht gleichzeitig Anpassungsfähigkeit, Informationsverarbeitung und autonome Reaktionen auf Umweltveränderungen. Die Übertragung dieser Prinzipien auf synthetische Materialien ebnet den Weg für weiche Materie, die strukturell komplex, reaktionsfähig und potenziell lebensähnlich ist.

Am Max-Planck-Institut für Polymerforschung entwerfen wir (Makro-)Moleküle und (Bio-)Polymere, die sich zu supramolekularen Architekturen mit präzise abgestimmten intermolekularen Kräften zusammenfügen. Diese Assemblierungen nehmen Morphologien an, die von Vesikeln und Fasern bis hin zu Membranen oder porösen Netzwerken reichen und als funktionale Bausteine für organische Bauelemente, Nanocontainer und synthetische Kompartimente dienen. Durch molekulares Design schlagen wir eine Brücke zwischen chemischer Zusammensetzung und makroskopischer Funktion und schaffen Materialien mit programmierbaren Struktur-Eigenschafts-Beziehungen.

 Ein charakteristisches Merkmal supramolekularer Materialien ist ihre Dynamik. Im Gegensatz zu statischen kovalenten Systemen reorganisieren sie sich als Reaktion auf Reize wie pH-Wert, Temperatur, Licht, Redoxpotenzial, Ionenstärke oder mechanische Beanspruchung – und ahmen lebende Materie durch reversible Wechselwirkungen nach, die Selbstheilung, Transport und Kommunikation ermöglichen. Durch die Steuerung von Thermodynamik und Kinetik wollen wir weiche Materialien schaffen, die intelligent auf ihre Umgebung reagieren.

Dennoch bleiben Herausforderungen bestehen. Die Strukturbildung in komplexen Umgebungen ist schwer vorhersagbar, da konkurrierende Wechselwirkungen kinetische Fallen und lokale Defekte verursachen können. Lösungsmittel, insbesondere Wasser, treiben die Anpassungsfähigkeit durch Wasserstoffbrückenbindungen, hydrophobe Effekte und Elektrostatik aktiv voran. Das Verständnis, wie Lösungsmittel die Assemblierungsdynamik beeinflussen, ist für die Entwicklung lebensechter, wässriger Systeme von entscheidender Bedeutung.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, nutzen wir Automatisierung, Hochdurchsatzsynthese, fortschrittliche Charakterisierung sowie leistungsstarke Spektroskopie und Mikroskopie, um die Entwicklung der Anordnung über verschiedene Maßstäbe hinweg zu erfassen. Durch die Kopplung dieser Datensätze mit künstlicher Intelligenz wird eine vorausschauende Kontrolle über Struktur und Funktion ermöglicht.
Durch diese Bemühungen rückt die Vision von Materie, die aus ihrer Umgebung lernt, auf sie reagiert und mit ihr interagiert, näher an die Realität – und macht die supramolekulare Anordnung zu einem Eckpfeiler für die nächste Generation adaptiver Materialien.