Leibniz-Wissenschaftler: Wenn winzige Gel-Objekte im Takt tanzen

Von: André Schaefer
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Nachwuchsgruppenleiterin Laura de Laporte erläutert den Stadtvertretern den Fortschritt des Forschungsprojektes. Foto: Andreas Schmitter
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DWI-Direktor Prof. Martin Möller (links) und Doktorand Hang Zhang erklären das Prinzip der Gel-Motoren im Miniaturmaßstab.
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Die Aachener Leibniz-Wissenschaftler am DWI betreiben Forschung, die in der Praxis Anwendung finden soll. Foto: Andreas Schmitter

Aachen. Wenn die Aachener Leibniz-Wissenschaftler rufen, dann lässt man sich nicht zweimal bitten. Das dachte sich auch Aachens Oberbürgermeister Marcel Philipp, als er die Einladung der Forscher für Interaktive Materialien in seinem Briefkasten vorfand.

Seit 2014 gehört das Deutsche Wollforschungsinstitut (DWI) der Leibniz-Gesellschaft an, doch schon seit Jahrzehnten stehen die Mitarbeiter des DWI für internationale Spitzenforschung. „Wenn man uns die Tür öffnet, dann nimmt man solch eine Einladung natürlich gerne an“, sagt Philipp. „Schließlich ist es unheimlich spannend zu sehen, woran hier geforscht wird.“

Nun ist das mit der Forschung so eine Sache: Spannend und vor allem bedeutend, das sind sie streng genommen so ziemlich alle, die Forschungsprojekte, die in der hiesigen Region entstehen. Das Problem: Das meiste davon geschieht hinter verschlossenen Türen. „Dabei ist es so elementar wichtig, dass auch die Menschen in der Stadt und der Region verstehen, was hier in Sachen Forschung passiert“, weiß auch Aachens Oberbürgermeister.

Mit dem „Future Lab Aachen – die Kunst des Fortschritts“ haben die Stadt und ihre wissenschaftlichen Einrichtungen daher nicht umsonst vor einigen Wochen die Initiative ergriffen, Forschung bürgernah zu präsentieren. Diese Möglichkeit hat nun auch das DWI genutzt. Bei einer Institutsführung öffnete DWI-Direktor Prof. Martin Möller nun die Labortüren, um der Stadt drei Vorzeige-Forschungsprojekte zu präsentieren. „Wir wollen die Bedeutung unserer Arbeit anschaulich machen“, sagt Möller, der auch Inhaber des Lehrstuhls für Textilchemie und Makromolekulare Chemie an der RWTH Aachen ist. Die drei Forschungsprojekte im Überblick:

Membranen 3.0

Unterhält man sich mit Mitarbeitern des DWI, dann gibt es da vor allem diesen einen Aspekt, auf den die Forscher im Wendlingweg mitten im Herzen des Campus Melaten großen Wert legen: Ihre Forschungsprojekte haben alle einen Anwendungsgedanken. Auch Prof. Matthias Wesseling ist das wichtig. Wesseling hat sich auf die Membrantechnologie fokussiert. Und er betont: Künstliche Membranen spielen sowohl in der Industrie als auch in der Medizin eine entscheidende Rolle. Sie kommen bei der Meerwasserentsalzung, bei der Trinkwasseraufbereitung oder der Reinigung von Abwasser und Abgas zum Einsatz. In der Medizin finden künstliche Membranen bei künstlichen Nieren und Lungen Anwendung.

Das Problem: Die meisten künstlichen Membranen sind gut, „aber eben nicht gut genug“, sagt Wesseling. Eine Membran kann nur dann ihre volle Leistungsfähigkeit entfalten, wenn die Transportwiderstände an der Grenzfläche von Membran und Flüssigkeit oder Gas minimiert werden. Wesseling forscht mit seinem Team daher an neuen Membranmaterialien, -strukturen und -geometrien.

In dem Forschungsprojekt, das zuletzt vom Europäischen Forschungsrat mit 2,5 Millionen Euro gefördert wurde, geht es vor allem um Oberflächenstrukturen von Membranen bis in den Nanometer-Bereich. „Viele Membranen können sich im Laufe der Zeit zusetzen und müssen dann erst wieder aufwendig gereinigt werden“, sagt Wesseling. Indem die Membranoberfläche anders gestaltet oder auch die Strömung an der Membranoberfläche gezielt verändert wird, können solche Probleme in Zukunft verhindert werden.

Gel-Motoren im Miniaturmaßstab

Wenn DWI-Direktor Möller über eines seiner Spezialgebiete spricht, dann verwendet er gerne die beiden Adjektive „abstrakt“ und „faszinierend“. Möller forscht an ausgeklügelten Mikro- und Nano-Objekten. Und Abstraktes und Faszinierendes verbindet er dabei gerne – zumindest, wenn es um Gel-Motoren im Miniaturmaßstab geht. Die Aachener Polymerchemiker um Martin Möller forschen an genau solchen Gel-Motoren, die für neue, sich selbst bewegende Materialstrukturen eingesetzt werden sollen. „Wir setzten hier Hydrogele ein, die zu 80 bis 98 Prozent aus Wasser bestehen und die durch Aufnahme und Abgabe von Wasser ihre Form stark verändern können“, erklärt Doktorand Hang Zhang.

Der Chemiker im Team des DWI-Direktors dreht gerne mal die Musik auf, um die winzigen Gel-Objekte zu bewegen. Denn: Die Formveränderung der Gel-Objekte erfolgt durch einen kurzen Impuls mit Infrarotlicht. Und genau dieses Infrarotlicht muss getaktet werden. Die erstaunlich schnellen Bewegungen der Gel-strukturen von bis zu 2000 Mikrometern pro Sekunde erfolgen also im Takt der Musik.

Mit dem Projekt, das zuletzt ebenfalls mit 2,3 Millionen Euro vom Europäischen Forschungsrat gefördert wurde, sollen die Gele zu winzigen Motoren weiterentwickelt werden, die künftig in Chiplaboren Anwendung finden könnten.

Biomaterial für die Regeneration

Hydrogele sind auch für Laura de Laporte kein Fremdwort. Die DWI-Nachwuchsgruppenleiterin forscht mit ihrem Team an einer minimalinvasiven Therapie für Verletzungen des Rückenmarks. Das Ziel des Projekts: ein kontrolliertes Zellwachstum geschädigter Nervenbahnen. Dafür haben die Forscher ein injizierbares Biomaterial entwickelt, das als eine Art Gerüstmatrix dienen soll, eine Regeneration beschädigter Nervenbahnen im Rückenmark herbeizuführen. Grundlage dieses Biomaterials sind weiche, wasserreiche Polymernetzwerke, die an ausgewählten Stellen im Körper eben eine Art Gel bilden sollen. „Dieses Gel soll im Körper Bedingungen für eine natürliche Zellumgebung imitieren“, sagt Laporte.

Beteiligt sind an dem Projekt Studierende und Doktoranden aus der Chemie, Biotechnologie, Physik und dem Ingenieurwesen. Einer von ihnen ist Jonas Rose. Die Begeisterung des Doktoranden ist nicht zu überhören, wenn er von den Fortschritten des Forschungsprojektes erzählt: „Wir entwickeln hier in Aachen ein Material, das Sie sonst nirgendwo auf der Welt ein zweites Mal finden werden“, sagt er.

Wann die minimalinvasive Therapie in der Medizin zum Einsatz kommen wird, ist noch unklar. Rose geht „von etwa 20 Jahren“ aus. „Doch schon in rund einem Jahr werden wir die ersten Tierversuche starten“, sagt der Doktorand. So soll das entwickelte Biomaterial demnächst an querschnittsgelähmten Mäusen zum Einsatz kommen, um diese wieder zum Laufen zu bringen. „Wir sind gespannt auf die Ergebnisse“, sagt Rose. Wie die am Ende ausfallen, kann ja bei der nächsten Institutsführung am DWI erläutert werden.

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