Soft Matter - Harte Arbeit an weicher Materie

3D-Momentaufnahme aus einer Computer-Simulation, die zeigt wie die langen Polymer-Kettenmoleküle im geschmolzenen Polymer fließen.

Was haben Seidenblusen, Disketten und die Membranen lebender Zellen gemeinsam? Alle drei bestehen aus „weicher Materie“. Als der französiche Physiker Pierre-Gilles de Gennes 1991 den Nobelpreis für Physik erhielt, wurde ein Forscher geehrt, den viele den "Vater der weichen Materie" nennen. Er hatte wichtige theoretische Beiträge zu einem jungen Forschungsgebiet geliefert, das erst in den achtziger Jahren Kontur annahm. Neben den neuen theoretischen Modellen trugen dazu auch bessere Messmethoden und die wachsende Leistungsfähigkeit von Computern bei. So fanden die Forscher, dass die Eigenschaften sehr unterschiedlicher und komplex aufgebauter Materialien ein verbindendes Element aufweisen: das Zusammenspiel von Ordnung und Unordnung auf der Ebene der Moleküle. Ob fast flüssig oder sehr reißfest - diese Materialien sind immer flexibel. Deshalb wurden sie "Soft Matter", also "weiche Materie" getauft.

Die kulturelle Entwicklung der Menschheit ist untrennbar mit der Entwicklung neuer, hochwertiger Materialien verbunden. Nicht umsonst spricht man von der Steinzeit, der Bronzezeit oder der Eisenzeit. Nach diesen harten Vorzeiten sind wir heute offenbar in der Ära der weichen Materie angekommen: Seit Jahrtausenden sind Leder, Naturfasern wie Wolle und Seide oder Papier wichtige Wirtschaftsgüter. Und in den vergangenen 50 Jahren traten die Kunststoffe einen Siegeszug ohnegleichen an. Selbst die Information, heute gern als einer der wichtigsten Rohstoffe bezeichnet, kann nur durch Kunststoffe massenhaft erzeugt, gespeichert und verbreitet werden. Ohne lichtempfindliche Lacke gäbe es keinen Mikrochip – auch Disketten, CD-ROMs und Videobänder bestehen aus beschichteten Kunststoffen.

Zur wahren Meisterschaft in der Entwicklung weicher Materialien hat es jedoch die Natur gebracht. Seit Milliarden von Jahren, seitdem es Leben auf der Erde gibt, entstehen hoch komplexe Strukturen aus weicher Materie. Raffiniert ist oft ihre Entstehungsweise: Die Moleküle organisieren sich selbst zu komplexen Zellmembranen, die wichtige Lebensfunktionen ausführen. Oder sie bilden extrem reißfeste Fasern, die Pflanzen Form und Halt geben. Biologen, Chemiker, Materialforscher und Physiker versuchen, die erstaunlichen Konstruktionen und Herstellungsverfahren der Natur zu verstehen und nachzubilden.

Manche Forscher bezeichnen mit weicher Materie fast flüssige, andere dagegen auch sehr reißfeste Materialien wie Natur- oder Kunstfasern. Doch ob flüssig oder fest – es gibt Eigenschaften, die alle hier vorgestellte Formen weicher Materie gemeinsam haben: Erstens bilden in weicher Materie die Moleküle eine viel ungeordnetere Struktur, als es die Atome oder Moleküle im Kristallgitter eines echten Festkörpers tun. Andererseits wirbeln sie nicht so hochgradig ungeordnet durcheinander wie in einem Gas. Weiche Materialien sind auch keine richtigen Flüssigkeiten, aber Bereiche, die flüssig sind, können entscheidend zu ihren Eigenschaften beitragen. Zweitens sind die Strukturen weicher Materialien flexibel, aber trotzdem stabil. Und drittens kann weiche Materie spontan supramolekulare Strukturen durch Selbstorganisation bilden. Ohne diese besonders interessante Fähigkeit könnte kein natürlicher Organismus entstehen und leben.

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