Biomaterialien und Membranen aus dem Rechner

Auf dem Bildschirm von Professor Dr. Dieter Hofmann bildet sich ein wirres Ensemble aus Kugeln und Linien. „Wenn sich ein Wasserstoffatom seinen Weg durch eine Kunststoffschicht bahnt, ist es, als würde eine winzige Murmel durch ein Knäuel von Perlenketten irren“, erläutert Hofmann. Er kann vorhersagen, welchen Weg die Murmel ungefähr nehmen wird. Für viele praktische Anwendungen ist ein solcher Transportvorgang von großer Bedeutung. Zum Beispiel, wenn Wassermoleküle den Faden zersetzen sollen, mit dem Chirurgen die Wunde verschlossen haben. Oder bei Membranen, die in einer Brennstoffzelle die Wasserstoffatome in wohl dosierten Mengen zum Sauerstoff durchlassen, die Alkohol vom Bier trennen oder Medikamente in kleinsten Portionen aus Kapseln freisetzen. Biomaterialien und Membranen für besondere Anforderungen am Computer zu entwerfen, ist eine Spezialität von Dieter Hofmann vom GKSS-Forschungzentrum in Teltow bei Berlin. Der Physiker koordiniert das europäische Forschungsprojekt Multimatdesign. An konkreten Beispielen wie der Aufbereitung von Erdgas oder dem biologisch abbaubaren Wundnahtfaden erarbeiten elf europäische Partner neue Strategien zur computergestützten Materialentwicklung.

Die Anforderungen an diese Materialien sind enorm: Sie sollen Stoffgemische präzise trennen oder in wässriger Umgebung leicht abbaubar sein. Dazu müssen sie gewisse Moleküle blockieren, andere durchlassen. Und je nach Anwendung sollen sie mechanisch stabil, mit anderen Stoffen verträglich und möglichst einfach herstellbar sein.

Bisher wurden solche hoch spezialisierten Kunststoffe durch systematisches Experimentieren entwickelt: Ausgehend von einer Idee für die passenden chemischen Bausteine haben die Forscher im Labor Polymere synthetisiert – lange Ketten aus komplexen Molekülen – und daraus beispielsweise eine Membran gefertigt, deren Eigenschaften dann getestet werden konnten. „Das ist sehr zeitintensiv und kostspielig“, sagt Hofmann. Warum diese Fleißarbeit nicht erstmal einem Computer überlassen? „In den letzten zwanzig Jahren hat die Programmierung molekularer Abläufe große Fortschritte gemacht“, weiß Hofmann. Und darauf hat das Projekt Multimatdesign aufgebaut.

Auch für das virtuelle Reagenzglas wählen die Computerchemiker Moleküle mit günstigen Eigenschaften aus. Sie geben Informationen über deren Art und Größe hinzu sowie über die Stärke und Geometrie ihrer Bindung. Dann „köchelt“ der Computer. Er berechnet, wie sich die Molekülketten am Ende anordnen würden. „In dieser Modellierung steckt eine Menge Know-how“, betont Hofmann.

Die Wechselwirkung der vielen Atome in einem solchen Prozess ist sehr komplex. Auf verschiedenen Größenskalen kommen unterschiedliche Mechanismen zum Tragen: von der Quantenchemie, die die Atome und ihre Bindungen beeinflusst, bis hin zur Thermodynamik, die größere Teilchenansammlungen statistisch beschreibt. „Im Projekt Multimatdesign haben wir führende internationale Experten aus all diesen Gebieten vereint“, freut sich Hofmann. „So können wir ein Problem in seiner ganzen Bandbreite bearbeiten.“

Der Physiker und sein Team am Zentrum für Biomaterialentwicklung der GKSS haben beispielsweise verschiedene Modelle für ein Material zur Gastrennung entworfen. Bei der Aufbereitung von Erdgas könnte es die unerwünschten Komponenten Butan und Propan aus dem Methan herausfiltern. Auch die Eigenschaften der virtuellen Membran werden am Rechner getestet. Vor allem berechnen die Forscher, auf welchem Weg und wie schnell ein Propanmolekül durch das Polymer hindurchwandert. Das hängt beispielsweise von der Größe und Verteilung des freien Volumens zwischen den wabernden Perlenketten ab, und davon, wie Propan mit dem Membranpolymer wechselwirkt – ob es gebunden, durchgelassen oder aktiv weitertransportiert wird. Am Teilprojekt zur Gasaufbereitung war auch ein italienisches Team von der Forschungseinrichtung ITM-CNR beteiligt. Die französische Firma Air Liquide will die Ergebnisse bereits in Kürze für ganz reale Aufgaben im Bereich der Gastrennung – etwa für die Erdgasaufbereitung – nutzen. Denn Multimatdesign ist längst nicht auf die virtuelle Chemie beschränkt. An jeder Stelle der Entwicklungskette werden Experimente gemacht, um zu testen, ob die Modelle und Simulationen auch mit der Realität übereinstimmen.

Der Einsatz der Computer dient aber nicht nur dazu, neue Materialien effizienter zu entwickeln. „Die Simulationen ermöglichen uns auch, grundlegende Vorgänge besser zu verstehen“, betont Hofmann. „Und das ist die Voraussetzung, um künftig auch ganz neue Ideen und Regeln für ein effektives Materialscreening zu entwickeln.“