Flüssigkristalle aus Chitin – Prof. Frank Gießelmann

00:00:03: vom Institut für Physikalische Chemie.

00:00:06: Der Uni Stuttgart setzt mir jetzt gegenüber Professor Frank Gieselmann, sie forschen zu Flüssigkristallen und im Rahmen des Projektes Chitinfluid war das eine ganz neue Herausforderung mit Chitinen?

00:00:21: Ja und nein!

00:00:22: Das Chitine ist ja ein Pulli mehr und in unserer Arbeit über die Flüssiggristalle hatte ich auch in der Vergangenheit schon häufiger Kontakt zu Polymeren, weil eben Polymere auch flüssig kristalline Zustände faus bilden.

00:00:37: Aber rein von den Arbeitstechniken her und von den Fragestellungen war es natürlich schon ein neuer Schritt mit dem KITIN.

00:00:44: Und es war eine sehr spannende Herausforderung das was wir jetzt von unserer Seite an Expertise mitbringen auf dieses für uns neue System anzuwenden und in Zusammenarbeiten mit den Kolleginnen und Kollegen hier doch ein größeres und übergeordnete Ziel zu verfolgen.

00:01:02: Was war denn am Ski-Team für Sie so reizvoll oder herausfordernd?

00:01:07: Wenn man sich die Struktur des Chineen anguckt, ist das ein sehr komplexes Material was auf unterschiedlichsten Längenskalen geordnet und organisiert ist.

00:01:16: Das ist schon sehr interessant!

00:01:18: Und die Frage ist... ...die Natur liefert uns das und bisher wird damit nahezu nichts gemacht Und einer der Gründe, warum die technische Verwendung so limitiert ist.

00:01:29: Also es ist ja ein Polymer, das hat natürlich ja Kunststoffe und Kunststoff verarbeitet man sonst entweder durch Schmelzen und dann formt man sie oder indem man sie in Lösungen bringt und dann kastet man daraus einen Film oder sowas.

00:01:43: aber das Chitin ist also nicht schmelzbar, das zersetzt sich vorher und es gibt bislang auch nicht wirklich Lösungsmittel für das Chittin.

00:01:52: Wenn es um die Prozessierbarkeit geht, dann muss man das Chitin in einen fließfähigen Fluidenzustand überführen.

00:02:00: Entweder durch Schmelzen oder durch Auflösen.

00:02:03: Ja also beides ist ein Fluid und daher auch der Name Chitinn-Fluid.

00:02:08: Also die zentrale Idee ist wir suchen Wege wie man Chitins eine fluide prozessierbare Form überführend kann.

00:02:16: Und dann dass es ja die zweite Hälfte.

00:02:18: in dem Projekt gibt es Anwender die eben schauen, wie kann man daraus Folienfasern sonst was machen?

00:02:26: und die beispielsweise in der Bautechnik einsetzen.

00:02:30: Also Ihr Part ist sozusagen der erste Teil.

00:02:32: Reingehen

00:02:35: in die Struktur?

00:02:35: Das weniger... Die Struktur ist sehr komplex aber die ist bekannt, sie ist ausführlich erforscht.

00:02:41: Es ist eher das Thema Wie kann man diese Struktur oder Teile dieser Struktur in eine Fluide processierbare Form überführen.

00:02:53: Und da kommen jetzt eben tatsächlich die Flüssigkristalle ins Spiel.

00:02:57: Flüssiggristalle sind Flüssigkeiten, die eine langreichweite Ordnung ihrer Bausteine haben.

00:03:05: Normale gewöhnliche Flüssigkeiten, das sind die Moleküle oder sagen wir mal allgemein die Bausteinen ungeordnet können sich bewegen daher kann es schließen und so weiter aber sie haben keinerlei Ordnung.

00:03:18: Bei den Flüssigkristallen ist es also anders.

00:03:21: Das sind ein fließfähiger Aggregatzustand, in dem die Bausteine sich in irgendeiner Form über lange Strecken ordnen.

00:03:32: Und bei den Flussigkistalen gibt es einmal die molekularen Bausteine – das sind die sogenannten Thermotropenflüssig-Kristalle, die wir alle kennen aus den Wildschirmen, Displays im Handy usw.

00:03:45: Es gibt aber eine zweite Art von Flüssigkristallen, das sind diese sogenannten Lyotropen.

00:03:49: Flüssiggristalle da hat man nicht Moleküle sondern größere Bausteine sowas wie Micellen oder Nanopartikel die man in einer Flüssigkeit suspendiert.

00:04:00: und diese Partikel die Micell'n oder die nanopartikel wichtigste Voraussetzung dafür ist dass sie nicht kugelförmig sind sondern eine stark anisometrische Gestalt haben also zum Beispiel stäbchenförmig oder scheibchenförmige Gestalt haben.

00:04:17: Und dann kann man sich das ein bisschen so vorstellen wie zum Beispiel Baumstämme, die irgendwo in Kanada und Skandinavien auf einer Wasseroberfläche schwimmen.

00:04:27: Gibt es nur ganz wenige Baustämme pro Quadratmeter?

00:04:30: Dann liegen sie in allen möglichen Richtungen vor.

00:04:33: Verdichtet man die Baumstimme aber auf der Oberfläche, sieht man ja dass diese sich allein aufgrund der sterischen Wechselwirkung parallel zueinander ordnen.

00:04:43: Und genau das passiert beispielsweise, das war bekannt mit Zellulose-Nanokristallen.

00:04:50: Also wenn man die in Wasser suspendiert ist es ein bisschen schwierig bei der Zellulosis beim Chitin tatsächlich einfacher aber wie wir jetzt wissen, aber wenn man sie in Wasser halt suspendiert und die Konzentration immer höher macht dann ist es so dass diese zellulosen Nanokristalle sich parallel zueinander ordnen in einem flüssiger Zustand ist, aus dem man zum Beispiel Fasern spinnen könnte.

00:05:18: Ist jetzt vereinfacht dargestellt.

00:05:19: ganz so einfach es nicht aber ungefähr funktioniert das.

00:05:23: Hat sie denn da viel Team bei diesen Untersuchungen irgendwo auch überrascht?

00:05:27: Haben Sie da was Neues rausgefunden?

00:05:31: Ja, das schon.

00:05:32: Ich sollte vielleicht kurz darauf hinweisen, wie man diese Nanokristalle bekommt aus dem Chitin.

00:05:38: Also das Chitine ich sage schon hat eine sehr komplexe Struktur und es gibt Bereiche im Chitín die sind hoch geordnet.

00:05:45: da laufen die Chitinen Ketten parallel zueinander und sind durch sogenannte Wasserschoffbrückenbindungen fest miteinander verknüpft.

00:05:53: Die sind also sehr geordnete und sie sind stäbchenförmig späteren Nanokristalle.

00:06:00: und zwischen diesen nanokristalen gibt es ungeordnete Bereiche des Chitins.

00:06:05: Und wenn man das Chitin jetzt mit einer Seure behandelt, zum Beispiel als Zeure dann fängt die an das Chittin zu hydrolysieren also aufzulösen.

00:06:14: Wenn man also die Zeit richtig wählt, sind die Amorphenbereiche weg und die Crystallinen-Bereiche bleiben über.

00:06:21: Dann kann man sie weiter aufkonzentrieren, reinigen und mit denen arbeiten.

00:06:27: Und eine der nicht wirklich in Überraschungen hätte das wissen können, aber so klar war es eigentlich nicht.

00:06:33: Vorher ist dass die Chitin-Nano-Kristall auf ihrer Oberfläche geladene Gruppen haben.

00:06:38: Also zum Beispiel negativ geladende Gruppen oder positiv geladete Gruppen und das ist ganz wichtig weil wenn sie nachher in der Suspension sind dann stoßen die auch mal aneinander Und es könnte dann passieren, dass die zusammenkleben bleiben.

00:06:54: Wenn sie immer größer werden, dann fallen die nach unten aus.

00:06:57: Dann oben das Wasser und unten liegt das Fjetin wie ein toter Stein.

00:07:02: Ein wichtiges Prinzip in der Koloidchemie ist wenn diese Partikel, in unserem Fall eben diese Nanokristalle elektrisch gleiche Ladungen haben.

00:07:12: Minus stößt minus ab, dann können die sich zwar annähern aber sie kommen nicht wirklich in Kontakt.

00:07:17: Das stabilisiert also dass diese Suspension wirklich kolloidal bleibt und das Chitin bringt diese Ladung gleich mit.

00:07:25: es bildet also auch dann diese Flüssigkristallinen Strukturen und Nanokristalle lagern sich parallel zueinander an.

00:07:33: Das ist das eine.

00:07:34: Dann kommt aber etwas dazu, dass Chitin eine chirale Substanz, so nennt man das in der Chemie, also chiral sind Objekte wenn sich Bild und Spiegelbild voneinander unterscheiden.

00:07:47: Bei chiralen Molekülen bei chiralen Objekten ist links was anderes als rechts Und das spiegelt sich jetzt makroskopisch auch in der Struktur dieser flüssig kristallinen Suspensionen wieder.

00:08:00: Parallelordnung zeigt nicht überall in die gleiche Richtung, sondern diese Vorzugsrichtung windet sich schraubenförmig auf.

00:08:08: Eine Schraube kann links oder rechts Gewinde haben und hat also nur eine Händigkeit.

00:08:15: Aufgrund der Chiralität, die begründet ist in der chemischen Struktur des Chitins sieht man am Ende auch auf einer makroskopischen Skala dass diese Parallellordnung mich überall in den gleichen Richtungen zeigt, sondern zum Beispiel eine Linksschraube beschreibt.

00:08:30: Haben Sie dann nur auch rausgekriegt, ob Chitin gleich Chitine ist?

00:08:34: Es gibt ja verschiedene Quellen.

00:08:35: Ja!

00:08:37: Wir haben festgestellt dass die Konzentration bei der es beginnt diese flüssig-chrystaline Suspension zu bilden das diese Konzentation von der Quelle abhängt und dass auch die Periode dieser helikalen Verdrillung nachher in der Flüssigchrystalinenphase von der Chitinkwelle abhängt.

00:08:59: Und natürlich haben wir versucht, das zu verstehen.

00:09:02: Wir haben uns also angeschaut wie diese Nanokristalle aussehen die aus den verschiedenen Quellen kommen und was sehr interessant war ist dass die Dicke dieser nanokristallinen Stäbchen die so ungefähr gleich und die Länge die variiert von Quelle zur Quelle Das heißt also dieses Längen zu dicken Verhältnis Das Aspektverhältnis, wie man das auch nennt.

00:09:28: Das scheint offensichtlich von der Chitinquelle abzuhängen.

00:09:32: Zitinforschen weiter lohnt sich auf jeden Fall?

00:09:36: Ja sicher!

00:09:37: Es ist halt wie immer in der Wissenschaft wenn man einen interessanten Aspekt geklärt hat dann tauchen viele andere Aspekte auf die ebenso interessant sind und die man auch gerne weiter lösen würde und sollte.

00:09:50: Dann bedanke ich mich herzlich bei Ihnen für das Gespräch Herr Gieselmann.

00:09:54: Herzlichen Dank, Vork.