Proteine für widerstandsfähiges Gummi

Inspi­riert durch die Natur haben chi­ne­si­sche Wis­sen­schaft­ler ein syn­the­ti­sches Ana­lo­gon zu vul­ka­ni­sier­tem Natur­kau­tschuk her­ge­stellt, das genau­so zäh und fest ist wie sein Vor­bild. In der Zeit­schrift Ange­wand­te Che­mie ver­ra­ten sie ihr Erfolgs­ge­heim­nis: Kur­ze Eiweiß­ket­ten an den Sei­ten­ket­ten des Poly­mer­rück­grats sor­gen für eine sta­bi­le phy­si­ka­li­sche Quer­ver­net­zung und ver­lei­hen dem Mate­ri­al einen „Selbst­ver­stär­kungs­ef­fekt“ bei Belas­tung. Gleich­zei­tig ist das Mate­ri­al, anders als her­kömm­li­che Kau­tschu­ke, gut rezy­kli­sier­bar.

Kau­tschuk ist ein Sam­mel­be­griff für elas­ti­sche Poly­me­re, aus denen Gum­mi her­ge­stellt wird. Der Haupt­teil geht in Auto­rei­fen, wei­te­re Ein­satz­ge­bie­te sind die Auto­mo­bil­in­dus­trie und Gebrauchs­ge­gen­stän­de, wie etwa Kalt­schaum­ma­trat­zen. Obwohl bestimm­te syn­the­ti­sche Kau­tschu­ke, die Poly­iso­pre­ne, an sich die glei­che Struk­tur der Haupt­ket­te wie Natur­kau­tschuk auf­wei­sen, sind vul­ka­ni­sier­te Natur­kau­tschu­ke noch immer deut­lich über­le­gen, da sie wesent­lich fes­ter und stra­pa­zier­fä­hi­ger sind. Ursa­che ist eine spon­ta­ne „Selbst­ver­stär­kung“, eine rever­si­ble Ver­stei­fung des Mate­ri­als bei mecha­ni­scher Belas­tung, die als Deh­nungs­kris­tal­li­sa­ti­on bezeich­net wird. Offen­bar spie­len spe­zi­el­le pola­re Kom­po­nen­ten an den Enden der Poly­mer­ket­ten eine Rol­le für die hohe Belast­bar­keit: nicht-kova­lent gebun­de­ne Pro­te­ine und Phos­pho­li­pi­de.

Eine Funk­tio­na­li­sie­rung der Ket­ten­en­den könn­te auch ein Weg zur Ver­bes­se­rung der mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten syn­the­ti­scher Kau­tschu­ke sein. Bis­her man­gel­te es jedoch an geeig­ne­ten Syn­the­se­me­tho­den. Den For­schern um Yun-Xiang Xu und Guangsu Huang von der Sichuan Uni­ver­si­ty, Cheng­du (Chi­na), ist ein sol­cher Ansatz jetzt gelun­gen. Mit einem bereits eta­blier­ten Kata­ly­sa­tor­sys­tem auf der Basis Sel­te­ner Erden und spe­zi­el­ler sta­bi­li­sier­ter Vor­stu­fen gelang ihnen die Her­stel­lung sehr lan­ger Poly­mer­ket­ten aus Iso­pren-Ein­hei­ten mit einem hohen Anteil an cis-Ver­knüp­fun­gen inner­halb des Rück­gra­tes sowie einer Viel­zahl an Sei­ten­ket­ten mit Hydro­xyl­grup­pen als pola­ren End­grup­pen. Die Idee war nun, ähn­lich wie beim Natur­kau­tschuk, hier Bio­mo­le­kü­le anzu­knüp­fen, die für eine phy­si­ka­li­sche Quer­ver­net­zung der Poly­mer­ket­ten sor­gen soll­ten.

Inspi­riert von der hohen Fes­tig­keit und Stär­ke von Spin­nen­sei­de, wähl­ten die For­scher dafür kur­ze Eiweiß­ket­ten (Oli­go­pep­ti­de) aus vier Mole­kü­len der Ami­no­säu­re Ala­nin. Es ist bekannt, dass sol­che Oli­go-Ala­ni­ne zieh­har­mo­ni­ka­ar­ti­ge β-Falt­blatt-Struk­tu­ren aus­bil­den, die die har­ten Bestand­tei­le der Sei­de aus­ma­chen und ihr Fes­tig­keit und ther­mi­sche Sta­bi­li­tät ver­lei­hen.

Da die Pep­tid- und die Poly­iso­pren­ket­ten nicht misch­bar sind, lagern sich die Pep­tid­ket­ten bevor­zugt zusam­men. Die­ser Effekt sorgt für die gewünsch­te phy­si­ka­li­sche Quer­ver­net­zung der Poly­iso­pren­ket­ten. Die Fes­tig­keit und Zähig­keit des neu­en syn­the­ti­schen Kau­tschuks wer­den so stark erhöht, ohne die Elas­ti­zi­tät zu beein­träch­ti­gen. Das Mate­ri­al zeig­te zudem eine deut­li­che Selbst­ver­stär­kung durch Deh­nungs­kris­tal­li­sa­ti­on. In sei­nen Eigen­schaf­ten ent­spricht es damit vul­ka­ni­sier­tem Natur­kau­tschuk.

Da auf eine her­kömm­li­che Vul­ka­ni­sa­ti­on ver­zich­tet wer­den kann, ist die Wie­der­ver­wend­bar­keit der neu­ar­ti­gen Hoch­leis­tungs-Poly­iso­pren-Kau­tschu­ke deut­lich ver­bes­sert. Auf die­se Wei­se könn­ten die Unmen­gen an schlecht wie­der­ver­wend­ba­rem Kau­tschuk, das auf Depo­ni­en wan­dert oder unter erheb­li­cher Belas­tung der Umwelt ver­brannt wird, zukünf­tig viel­leicht redu­ziert wer­den.