Selbstassemblierung

Selbstassemblierung bezeichnet den Prozess, bei dem Bausteine wie Moleküle, Kolloide oder Nanopartikel infolge spezifischer, oft reversibler Wechselwirkungen spontan zu geordneten Strukturen zusammenfinden. Typischerweise handelt es sich um einen Bottom-up-Ansatz in der Materialwissenschaft, Chemie und Biologie, bei dem einfache Bausteine zu komplexeren Systemen reorganisieren, ohne dass externes Eingreifen nötig ist. Die Strukturen entstehen durch das Zusammenspiel von Thermodynamik, Kinetik und Wechselwirkungen mit der Umgebung.

Die Bausteine verknüpfen sich über nicht-kovalente Bindungen wie Wasserstoffbrücken, Elektrostatik, Van-der-Waals-Kräfte, Hydrophobie sowie Koordination mit Metallionen. Reversible Reaktionspfade ermöglichen eine Fehlerkorrektur, wodurch hochwertige Strukturen entstehen. Umweltbedingungen wie Lösungsmittel, Temperatur und Konzentration sowie die Form der Bausteine beeinflussen die Endformen. Die Selbstassemblierung reicht von molekularen Systemen bis zu kolloidalen Kristallen und nanostrukturierten Materialien und umfasst sowohl organische als auch anorganische Bausteine.

Beispiele sind DNA-Origami und andere DNA-basierte Selbstassemblierungen, Peptid- und Proteinassemblierungen, Lipidmembranen, kolloidale Kristalle sowie metallische oder keramische Nanostrukturen. Anwendungen finden sich in der Herstellung nanostrukturierter Oberflächen, Filtration, Katalyse, Sensorik, Arzneistoffabgabe sowie Photonik und Elektronik.

Zu den Herausforderungen gehören kontrollierte Reproduzierbarkeit, Defektmanagement, Stabilität unter Praxisbedingungen und Skalierbarkeit. Durch die gezielte Wahl der Bausteine und äußere Stimuli wie pH, Licht oder Redoxzustände lässt sich die Selbstassemblierung gezielt steuern.