Polymerisation aus der Sicht einzelner Moleküle

21.12.2007: Kunststoffe gewinnen immer mehr an Bedeutung und sind aus unserem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken. Entsprechend interessiert ist die Wissenschaft an der Aufklärung der Details von Polymerisationsprozessen, in deren Verlauf aus einzelnen molekularen Bausteinen lange Polymerketten oder dreidimensionale Netzwerke entstehen. Einem belgisch-deutschen Team von der Universität Leuven und dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz ist es nun gelungen, Polymerisationen aus der Sicht einzelner Moleküle zu verfolgen. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, wandten Johan Hofkens und sein Team die Methoden Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie und Weitfeldmikroskopie an, um fluoreszierende Sondenmoleküle während des gesamten Verlaufs der radikalischen Polymerisation von Styrol zu beobachten.

Bisher angewandte Methoden gewähren zwar interessante Einblicke in die Reaktionswege bei Polymerisationen, die meisten sind jedoch nicht geeignet, den gesamten Reaktionsverlauf widerzuspiegeln. Zudem ergeben sie lediglich ein über die Gesamtheit der Moleküle gemitteltes Bild. Während der Polymerisation auftretende Ungleichmäßigkeiten lassen sich auf molekularer Ebene nicht erfassen. Solche Heterogenitäten haben jedoch einen ganz erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften des fertigen Kunststoffs. Die Kenntnis derartiger Details kann helfen, Polymerisationsprozesse leichter zu kontrollieren und die Produkteigenschaften zu verbessern.

Die Einzelmolekülspektroskopie mittelt Unterschiede zwischen verschiedenen Molekülen nicht heraus, sondern zeichnet diese Heterogenitäten auf. Die Forscher verfolgten die Polymerisation mit fluoreszierenden Farbstoffsonden. Im Verlaufe der Reaktion, bei der aus einer Monomerlösung eine immer dichter werdende Polymermatrix entsteht, nimmt die Bewegungsfreiheit der Sondenmoleküle ab. Mittels Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie lässt sich die Zeit messen, in der sich einzelne Sondenmoleküle innerhalb eines winzigen, definierten Volumens aufhalten. So lassen sich schnelle Molekülbewegungen in der noch wenig abreagierten Lösung registrieren. Die Weitfeldmikroskopie bildet die Position der fluoreszierenden Sonden direkt ab und eignet sich zur Verfolgung von langsamen und immobilisierten Molekülen. Beide Methoden ergänzen sich und ergeben zusammen ein Bild der Translationsbewegungen über den gesamten Polymerisationsverlauf. Zusätzliche Informationen liefern Sondenmoleküle, die in das wachsende Polymer mit eingebaut werden.

Originalveröffentlichung: Johan Hofkens et al.; "Verfolgung der radikalischen Polymerisation mit Einzelmolekülspektroskopie"; Angewandte Chemie 2007.