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Manche Polymere reagieren auf ihre Umgebung mit nützlichen Veränderungen: Dazu gehört PNIPAM, kurz für Poly(N-isopropylacrylamid). Es ist unter etwa 32 Grad Celsius wasserlöslich, oberhalb dieser Temperatur fällt es aus und wird hydrophob. Das qualifiziert es für smarte Anwendungen wie Sensoren. Was aber läuft zwischen PNIPAM und dem Lösungsmittel Wasser eigentlich ab? Forschende der Ruhr-Universität Bochum und der University of Illinois Urbana Champaign arbeiteten in dieser Frage zusammen mit Spezialisten für Klangerzeugung der Symbolic Sound Corporation. In der klanglichen Darstellung konnten sie die Interaktion der Wassermoleküle mit PNIPAM erstmals entschlüsseln.
Sie berichten in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences PNAS vom 4. Februar 2026.
Wasser zieht die Fäden
Dem Lösungsmittel Wasser wird bei Analysen der Bewegung von Polymeren wie Proteinen oder künstlich hergestelltem PNIPAM häufig nur eine untergeordnete, passive Rolle zugebilligt. „Dabei bildet es Wasserstoffbrücken zwischen Wassermolekülen und Wasser und Polymeren, und diese Wasserstoffbrücken organisieren sowohl die Wasserstruktur als auch die Polymerstruktur“, verdeutlicht Prof. Dr. Martina Havenith-Newen, Inhaberin des Lehrstuhls Physikalische Chemie II der Ruhr-Universität Bochum und Sprecherin des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation RESOLV. „Wasser spielt eine unverzichtbare Rolle dabei, wie sich Polymerketten im Wasser ausdehnen, zusammenziehen oder falten.“
Dr. Wanlin Chen, die im Rahmen des Henriette Scout Programms zwei Jahre im Team von Havenith forschte, führte lange Supercomputersimulationen durch, die die Bewegung von PNIPAM in Wasser über Milliarden von Zeitschritten hinweg verfolgen. Allerdings befinden sich Tausende von Wassermolekülen um PNIPAM herum, die unentwegt Hunderte von Wasserstoffbrücken mit PNIPAM bilden und wieder aufbrechen. Mit herkömmlicher Visualisierungstechnik ließ sich diese Vielzahl an simultanen Vorgängen nicht übersichtlich darstellen.
Klang ist der Schlüssel
Das Team holte Carla Scaletti und Kurt Hebel mit ins Boot, die Auditory Analytics entwickeln, eine Technik, die die Umwandlung von Daten in Töne als Ergänzung zur Visualisierung nutzt. „Diese sogenannte Sonifikation hat bei komplexen Zeitreihen von Daten den Vorteil, dass das menschliche Gehirn sehr gut darin ist, Muster in Audio-Wellenformen zu erkennen, die aus vielen nahezu gleichzeitigen Ereignissen entstehen“, erklärt Alexander von Humboldt-Gastprofessor Martin Gruebele.
Mithilfe der Sonifikation fanden die Forschenden heraus, dass PNIPAM beim Zusammenziehen nicht viele direkte Wasserstoffbrückenbindungen bildet, sondern dass seine Struktur vielmehr durch Wasserbrücken organisiert ist, bei denen ein Wassermolekül zwei Teile von PNIPAM miteinander verbindet. PNIPAM selbst bildet auch eine ungewöhnliche Bindung, bei der sich an Stickstoffatome gebundene Wasserstoffatome aneinanderreihen. All das konnte das Team hören und unterscheiden, da verschiedenen Bindungstypen unterschiedliche Töne zugewiesen wurden. Dies war möglich, obwohl Dutzende dieser Bindungen zeitgleich entstehen und sich wieder auflösen.
Die anschließende quantitative Analyse der Computersimulation ergab, dass Wasserbrücken nicht zufällig sind, sondern miteinander korrelieren, während PNIPAM zu einer kompakten Form kollabiert, wobei jedoch Wasser die entscheidenden Fäden in diesem Prozess zieht und nicht so sehr – wie vorher vermutet wurde – direkte PNIPAM-Kontakte. „Die Forschung hilft uns zu verstehen, wie das ungewöhnliche Verhalten einiger Polymere, die in biomedizinischen Anwendungen und der Sensorik so nützlich sind, entsteht“, so Martina Havenith.
Förderung
Die Arbeiten wurden gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Exzellenzstrategie EXC-2033 – 390677874 – RESOLV sowie durch die Alexander von Humboldt-Stiftung im Rahmen eines Research Awards und des Henriette-Hertz-Scout-Programms.
Prof. Dr. Martina Havenith
Physikalische Chemie II
Fakultät für Chemie und Biochemie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: +49 234 32 28249
E-Mail: pc2office@ruhr-uni-bochum.de
Wanlin Chen, Martin Gruebele, Martina Havenith, Kurt J. Hebel, Carla Scaletti: Water-mediated Hydrogen Bonds and Local Side Chain Interactions in the Cooperative Collapse and Expansion of PNIPAM Oligomers, in: PNAS, 2026, DOI: 10.1073/pnas.2523755123, https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2523755123
- Video mit Klangeindrücken
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