SPP 1259: Intelligent Hydrogels
Chemistry
Final Report Abstract
Hydrogele sind hydrophile Polymernetzwerke, die auf Eigenschaftsänderungen ihrer Umgebung (z.B. von Temperatur, pH-Wert, Konzentration dritter Stoffe oder eines elektrischen Feldes) reagieren, indem sie quellen bzw. schrumpfen. Sie werden daher auch als „intelligente“ Materialien bezeichnet. Diese Fähigkeit zur stimulierbaren Volumenänderung verleiht den Hydrogelen ein hohes Entwicklungspotential als zukunftsträchtige Funktionswerkstoffe. Eine wichtige Voraussetzung hierfür ist jedoch zunächst die Kenntnis der Zusammenhänge von molekularer Struktur und Anwendungseigenschaften zur gezielten Herstellung von Hydrogelen mit gewünschten Eigenschaften. Ziel des Schwerpunktprogramms war es daher (1) neue Hydrogele mit gezielt einstellbaren Eigenschaften zu synthetisieren, (2) neue Methoden zur Messung und Modellierung der Hydrogel-Eigenschaften zu erarbeiten und (3) neue Hydrogel-Anwendungen zu etablieren. Zur Erreichung dieser Ziele haben während der Gesamtlaufzeit von 6 Jahren insgesamt 41 Arbeitsgruppen aus den Gebieten Chemie, Physik, Werkstoffwissenschaften, Maschinenbau und Verfahrenstechnik zusammengearbeitet. Im Ergebnis wurde eine Vielzahl neuer Hydrogel-Systeme synthetisiert und eingehend hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Anwendungseigenschaften charakterisiert, darunter Hydrogele aus neuartigen Polymeren bzw. Polyelektrolyten, physikalische Hydrogele, strukturierte Hydrogele mit hoher mechanischer Stabilität sowie Komposit-Materialien aus mehreren Hydrogelen oder aus Hydrogelen mit anderen Materialien, z.B. Metall-Partikeln. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Anwendungseigenschaften dieser Gele durch ihre chemische Zusammensetzung und Struktur gezielt beeinflussen lassen. Zur Modellierung des Quellverhaltens von Hydrogelen aufgrund thermischer, chemischer und elektrischer Einflüsse wurden analytische Modelle und Kraftfelder für molekulare Simulationen entwickelt, mit denen eine Abbildung und Erklärung der wesentlichen Phänomene in chemisch vernetzten Hydrogelen ebenso wie der Bildung physikalisch vernetzter Hydrogele gelang. Es wurde gezeigt, dass sich die neu entwickelten Hydrogele für zahlreiche Anwendungen eignen, z.B. für Biosensor-Systeme, controlled-release Systeme, als Nanoreaktoren, zur Modifikation von Oberflächen, zur Aufkonzentration von Analyten oder zur Abtrennung unerwünschter Stoffe.
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