Selbstverdopplung für die Fertigungstechnik – Millionen für Fraunhofer-Forscher

Prof. Alexander Böker, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam-Golm, erhielt den renommierten ERC Consolidator Grant vom Europäischen Forschungsrat (ERC). Sein Forschungsprojekt RepliColl wird mit 1,9 Millionen Euro für fünf Jahre gefördert. Böker und sein Team möchten von der DNA-Synthese der Natur lernen und selbst replizierende biologische Vorgänge nachbilden. Seine Forschung soll den Weg zu völlig neuen Fertigungstechniken für Bauteile in der Telekommunikation und Informationstechnik, sowie für Bausteine in der Pharma-Branche und der Nanoelektronik ebnen.

Die Natur beherrscht die erstaunliche Fähigkeit der Selbstverdopplung: Die Selbstreplikation von DNA- und RNA-Molekülen ist Basis unseres Lebens. Diesen Mechanismus möchte Prof. Böker auf künstliche Systeme übertragen. »Wir wollen Materialien schaffen, die in der Lage sind, sich selbst zu kopieren«. Böker entwickelt dazu Kolloide aus Polymeren, also winzige kugelförmige Gebilde, die zwischen 20 Nanometer und einem Mikrometer groß sind. Jedes Kolloid hat zwei funktionelle Stellen, an denen die Kolloide untereinander fest verbunden werden können. Das Produkt ist vergleichbar mit einer Perlenschnur. Über eine dritte funktionelle Stelle am Kolloid können die Perlenschnüre auch untereinander verbunden werden. Diese Reaktion ist allerdings umkehrbar. Somit können sich die Perlenschnüre wieder voneinander lösen, um sich dann jeweils selbst zu kopieren. Die Wiederholung dieses Verdopplungsprozesses führt dazu, dass die Zahl der Perlenschnüre exponentiell wächst.

»Sind die Perlenschnüre zudem auch noch in der Lage, sich von allein in einer definierten Struktur periodisch anzuordnen, erhalten wir winzige Gitterstrukturen mit hohen Beugungssymmetrien. Sie leiten nur Lichtstrahlen einer einzigen Wellenlänge in eine bestimmte Richtung weiter. Dieser Effekt wird in der Photonik genutzt, um in optischen Technologien Informationen zu speichern oder zu übertragen. Um diesen Effekt erzielen zu können, muss die Gitterstruktur jedoch mehrere hundert Nanometer groß sein – ein Ziel, dass wir mit der Selbstverdopplung erreichen möchten«, erklärt Böker. »Die große Herausforderung solcher synthetischer Systeme besteht allerdings darin, die Wechselwirkungen zwischen den Perlenschnüren in alle Richtungen zu kontrollieren und das Zusammenspiel zwischen reversiblen und irreversiblen Bindungen zu steuern«.

Wurde solch ein Kolloid als »programmierter Baustein« erstmal entwickelt, könnte sich dieser anhand eines Masters selbstständig in identische Kopien der Ausgangsstruktur anordnen und somit auch komplexeste Zielstrukturen selbstständig fertigen. Auf diese Weise könnten kolloidale Strukturen im Labor ohne größeren Aufwand im größeren Maßstab herstellbar sein. Für die Industrie würde dies eine intelligente, ressourceneffiziente und maßgeschneiderte Fertigung von Bauteilen im Rahmen der vierten industriellen Revolution bedeuten. Denkbar sind etwa Bauteile für Displays oder Speichermedien, aber auch Transportkapseln in der Pharmaindustrie oder Sicherheitsmerkmale zur Bekämpfung der Produktpiraterie.

Der ERC Consolidator Grant wird jährlich an exzellente Wissenschaftler in einem hoch kompetitiven, zweistufigen Auswahlverfahren in der gesamten EU vergeben. Mit den Preisgeldern sollen die Forscher Ihre Teams stärken und ihre innovativsten Ideen verwirklichen. »Wir gratulieren Professor Böker herzlich zu diesem außerordentlichen Erfolg. Exzellente Leistungen und Originalität in der Forschung sind eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass die Fraunhofer-Gesellschaft ihren Auftrag als starker Partner für die Wirtschaft erfüllen kann«, so Prof. Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft. Auch Wissenschaftsministerin Prof. Dr. Sabine Kunst freut sich: »Der ERC Consolidator Grant ist eine außerordentliche und international beachtete Auszeichnung. Mit dem Forschungsprojekt RepliColl bringt Prof. Böker eine äußerst zukunftsträchtige Forschungsrichtung nach Brandenburg mit großem Potenzial auch für Industrieunternehmen in der gesamten Hauptstadtregion Berlin-Brandenburg«.

Foto: Prof. Alexander Böker | (c) Fraunhofer IAP, Foto: Manuela Zydor