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Donnerstag, 27.07.2017
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Wie funktionieren Hydrogele?

Physikalische und chemische Eigenschaften sollen nun besser erforscht werden

Hydrogele kommen vor allem als so genannte Superabsorber in Babywindeln und Hygieneartikeln zum Einsatz. Dort nehmen sie ein Vielfaches an Feuchtigkeit ihres eigenen Gewichtes auf und halten so die Haut trocken. Doch noch gilt die genaue chemische und physikalische Wirkungsweise als weitgehend unerforscht. Dies soll sich nun im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms „Intelligente Hydrogele“ ändern. Vor allem der Einfluss von Salzen, Säuren sowie Temperatur- oder Konzentrationsveränderungen auf die Hydrogele werden untersucht, um neue Einsatzmöglichkeiten beispielsweise in der Baubranche zu finden.
Hydrogel

Hydrogel

„Dieses Pulver nimmt tausend mal so viel Flüssigkeit auf, wie es selbst wiegt“, erklärt Prof. Thomas Mang und deutet auf den handgroßen Becher im Regal der dunklen Vorratskammer. Auf den ersten Blick sehen die Körner auf den ersten Blick aus wie ganz normales Kochsalz. Aber das weiße Pulver kann mehr, wie der Leiter des Instituts für angewandte Polymerchemie (IAP) der Fachhochschule Aachen in nur wenigen Sekunden beweist. Vorsichtig schüttet der Chemiker das Granulat in ein Glas voll Wasser und wippt es hin und her. Dabei schlürft die durchsichtige Substanz das Wasser regelrecht auf und quillt zu einer wackelpuddingartigen Masse auf.

Die wohl bekannteste Anwendung dieser so genannten Hydrogele, ist der Einsatz als Superabsorber in Babywindeln und Hygieneartikeln. Allerdings ist damit nur ein Bruchteil des Potenzials dieser zukunftsträchtigen und viel versprechenden Materialien ausgeschöpft. „Wir wollen die Struktur verstehen und wissen welche Bindungen wann möglich sind“, lautet das gemeinsame Ziel von Mang und Dr. Siegfried Stapf vom Institut für Technische und Makromolekulare Chemie (ITMC) der RWTH Aachen. Während im IAP vor allem die Synthese der Hydrogele im Vordergrund steht, analysieren die Forscher im ITMC die physikalischen Eigenschaften der Hydrogele. In einem der weltweit bedeutendsten Zentren für Magnetische Resonanz (MARC) testen die Physiker mittels Kernresonanzspektroskopie die Struktur und Beweglichkeit der Substanz unter den verschiedensten Umweltbedingungen, wie Licht-, Temperatur-, Säure-, Salzverhältnissen.

Vernetzter Wollknäuel


Chemisch gesehen gleichen die wasserunlöslichen Molekülketten der Hydrogele einem Wollknäuel, dass an vielen Stellen mit sich selbst vernetzt ist. Auf Grund dieser chemischen Struktur quellen oder schrumpfen die aus Acrylsäure bestehenden Gele bei Änderungen der Temperatur, Salzkonzentration, pH-Werte oder elektrischen Felder. Weil sie auf äußere Reize reagieren, bezeichnen Wissenschaftler die Substanz auch als „intelligente“ Materialien.


„Noch verstehen wir nicht vollständig, warum das Material in salzigem Wasser manchmal nur unzureichend quillt und sogar nach einiger Zeit die Wirkung wieder verliert“, so Mang. Aber der Forscher nähert sich dem Problem systematisch. Durch wiederholte Versuchsanordnungen mit nur kleinen Veränderungen will er den genauen Zusammenhang zwischen der Materialstruktur und der Reaktion ermitteln. Auf diese Weise wäre der genaue Quellgrad bei veränderten Bedingungen demnächst vorhersehbar.

Quellgummis beim Straßenbau


Seit über zehn Jahren arbeitet Mang bereits am Einsatz von Hydrogelen, insbesondere von stark wasseraufnehmenden Substanzen. Aus seiner Forschung resultierten bereits Quellgummis und Quellpasten, die Tunnel gegen von außen drückendes Wasser abdichten. Beim Bau der Rheinuferstraße in Düsseldorf setzten die Baufirmen beispielsweise die Gummis zum Abdichten bereits ein. Aber auch an den in Babywindeln eingesetzten Saugmaterialien hat der Professor mitgewirkt. Allerdings tauchen immer wieder bei bestimmten Anwendungen Probleme auf: so quellen Materialien z.B. in Meerwasser nur unzureichend, wodurch sie ihre Abdichtwirkung verlieren. Die Ausarbeitung weiterer neuer Anwendungen scheitert dabei immer wieder an unzureichenden Kenntnissen die wissenschaftliche Grundlagen betreffen.

Hier setzt das DFG-Projekt an: Durch die Erforschung der genauen Eigenschaften von Hydrogelen sind in Zukunft auch weitere Einsatzmöglichkeiten denkbar. So hoffen die Wissenschaftler beispielsweise, dass Wirkstoffe zur Bekämpfung von Krebs in aufheizbaren, magnetischen Hydrogel-Nanokugeln gepackt und dadurch ganz gezielt im Körper freigesetzt werden können. „Durch die DFG haben wir nun die Möglichkeit die theoretischen Grundlagen zu erforschen, denn Hydrogele können viel mehr, als nur Babypopos trocken halten“, so Mang.
(idw - Fachhochschule Aachen, 11.10.2006 - AHE)
 
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