Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Quantenlineal für Biomoleküle

22.08.2017

PhysikerInnen messen physikalische Eigenschaften von Vitaminen

In der Quantenphysik breiten sich unbeobachtete Teilchen wie ausgedehnte Wellen im Raum aus. Dieses Phänomen ist philosophisch spannend und von technologischer Relevanz: Ein Forschungsteam der Universität Wien um Markus Arndt konnte an einer Reihe von Vitaminen zeigen, dass die Kombination von experimenteller Quanteninterferometrie und Quantenchemie erlaubt, Informationen über die optischen und elektronischen Eigenschaften von Biomolekülen zu gewinnen – mittels eines "Quantenlineals". Die Ergebnisse wurden im renommierten Journal "Angewandte Chemie International Edition" publiziert.


Das Experiment hebt hervor, dass natürlich vorkommende Vitamine in spezifischen Quantenzuständen präpariert werden können, die dann die Messung molekularer elektronischer Eigenschaften erleichtern.

Copyright: Christian Knobloch, QNP Group, Fakultät für Physik der Universität Wien

Obwohl Vitamine eine zentrale Rolle in der Biologie spielen, sind ihre physikalischen Eigenschaften in der Gasphase noch wenig untersucht. Lukas Mairhofer, Sandra Eibenberger und KollegInnen in der Forschungsgruppe um Markus Arndt zeigen das Potenzial quantenbasierter Methoden zur Untersuchung von Biomolekülen. Sie erzeugten dafür Molekülstrahlen aus den (Pro)Vitaminen A, E und K1 – also β-Carotin, α-Tocopherol und Phyllochinon.

Diese Moleküle fliegen im Hochvakuum durch eine Anordnung von drei Nanogittern. Das erste Gitter zwingt jedes Molekül durch einen von tausenden Spalten, die nur 110 Nanometer breit sind. Die Einengung der Position des Moleküls sorgt nach Heisenbergs Unschärferelation für eine große Unbestimmtheit seiner Ausbreitungsrichtung – das Molekül wird räumlich "delokalisiert". Der Bewegungszustand jedes einzelnen Moleküls wird so präpariert, dass es prinzipiell nicht mehr möglich ist, seinen Weg durch das Experiment zu verfolgen.

Das zweite Gitter ist der Strahl eines grünen Hochleistungslasers, der von einem Spiegel in sich selbst reflektiert wird. Dadurch bildet sich eine stehende Lichtwelle, bei der sich periodisch Regionen hoher Lichtintensität mit Dunkelheit abwechseln. Jedes Molekül ist am zweiten Gitter schon so weit delokalisiert, dass seine Wellenfunktion mehrere Hell- und Dunkelzonen überstreicht, obwohl diese hundert Mal weiter auseinanderliegen als das Molekül groß ist.

In den Zonen mit mehr und weniger Licht wird das Molekül mehr oder weniger abgelenkt und die ausgedehnte quantenmechanische Wellenfront wird moduliert. Da das Molekül nicht nur einen Pfad nimmt, sondern in einer Überlagerung von möglichen Wegen durch die Apparatur läuft, entsteht ein Interferenzmuster, d.h. eine periodische Verteilung der Wahrscheinlichkeit, das Molekül an einem bestimmten Ort anzutreffen. Dieses wird mit dem dritten Gitter verglichen, das wie das erste aus Silizium-Nitrid gefertigt ist.

Quanten-Lineal für Biomoleküle

Die ultra-feine Struktur des Interferenzmusters wird als eine Art Quantenlineal verwendet, das es erlaubt, winzige Ablenkungen von wenigen Nanometern auszulesen. Die Modulation und Position des Interferenzmusters lässt Schlüsse auf die Wechselwirkung der Biomoleküle mit äußeren Feldern zu. Das gilt für die Wechselwirkung sowohl mit dem beugenden Laserstrahl als auch mit einem kontrollierten elektrischen Feld, welches das molekulare Dichtemuster verschiebt.

Die WissenschafterInnen nutzen das Quantenlineal zur Bestimmung elektronischer und optischer Eigenschaften biologisch relevanter Moleküle der (Pro)Vitamine A, E und K1. Pro-Vitamin A spielt beispielsweise eine wichtige Rolle in der Photosynthese. "Wir haben hiermit ein universelles Werkzeug, das uns hilft, die Eigenschaften von Biomolekülen besser zu vermessen", so der Erstautor der Studie, Lukas Mairhofer.

Vergleich mit Molekülsimulationen

Die experimentellen Ergebnisse wurden mit Berechnungen elektronischer Moleküleigenschaften verglichen. Dafür wurde klassische Moleküldynamik, in der die zeitliche Entwicklung der Molekülstruktur verfolgt wird, mit Dichtefunktionaltheorie kombiniert, in der die elektronischen Eigenschaften berechnet werden. Dieses Vorgehen ergibt eine gute Übereinstimmung von Experiment und Theorie.

Die Kombination von Molekülinterferometrie und Quantenchemie ist somit ein gutes Beispiel für die erfolgreiche Zusammenarbeit an der Schnittstelle zwischen Quantenoptik und Physikalischer Chemie.

Publikation in "Angewandte Chemie International Edition":
Lukas Mairhofer, Sandra Eibenberger, Joseph P. Cotter, Marion Romirer, Armin Shayeghi, und Markus Arndt: "Quantum-assisted metrology of neutral vitamins in the gas-phase", Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56 (2017);
DOI: 10.1002/anie.201704916

Das Projekt wurde gefördert vom
• European Research Council FP 7 Ideas im Adv. Grant: PROBIOTIQUS No 320694
• FWF Doctoral Program Complex Quantum Systems W12-03-N25

Zur animierten Version des Experiments:
http://www.quantumnano.at/popular-science/

Sie können Teile des Experiments auch online selber nachspielen:
http://www.quantumnano.at/popular-science/quantum-games-training/

Wissenschaftliche Kontakte
Dr. Lukas Mairhofer (Erstautor)
Quantennanophysik, VCQ
Fakultät für Physik, Universität Wien
Boltzmanngasse 5, 1090 Wien
M +43 650 4545262
lukas.mairhofer@univie.ac.at
http://www.quantumnano.at

Univ. Prof. Dr. Markus Arndt (Projektleiter)
Quantennanophysik, VCQ
Fakultät für Physik, Universität Wien
Boltzmanngasse 5, 1090 Wien
M +43-664-60277-512 10
markus.arndt@univie.ac.at
http://www.quantumnano.at

Rückfragehinweis
Mag. Alexandra Frey
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
1010 Wien, Universitätsring 1
T +43-1-4277-175 33
M +43-664-602 77-175 33
alexandra.frey@univie.ac.at

Offen für Neues.
Die Universität Wien ist eine der ältesten und größten Universitäten Europas: An 19 Fakultäten und Zentren arbeiten rund 9.500 MitarbeiterInnen, davon 6.600 WissenschafterInnen. Die Universität Wien ist damit die größte Forschungsinstitution Österreichs sowie die größte Bildungsstätte: An der Universität Wien sind derzeit rund 94.000 nationale und internationale Studierende inskribiert. Mit 174 Studien verfügt sie über das vielfältigste Studienangebot des Landes. Die Universität Wien ist auch eine bedeutende Einrichtung für Weiterbildung in Österreich. http://www.univie.ac.at

Weitere Informationen:

https://www.researchgate.net/publication/317502032_Quantum-Assisted_Metrology_of... Publikation in "Angewandte Chemie"

Stephan Brodicky | Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Demographie beeinflusst Brutfürsorge bei Regenpfeifern
25.04.2018 | Max-Planck-Institut für Ornithologie

nachricht Von der Genexpression zur Mikrostruktur des Gehirns
24.04.2018 | Forschungszentrum Jülich

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Im Focus: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Im Focus: Molecules Brilliantly Illuminated

Physicists at the Laboratory for Attosecond Physics, which is jointly run by Ludwig-Maximilians-Universität and the Max Planck Institute of Quantum Optics, have developed a high-power laser system that generates ultrashort pulses of light covering a large share of the mid-infrared spectrum. The researchers envisage a wide range of applications for the technology – in the early diagnosis of cancer, for instance.

Molecules are the building blocks of life. Like all other organisms, we are made of them. They control our biorhythm, and they can also reflect our state of...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Silizium als neues Speichermaterial für die Akkus der Zukunft

25.04.2018 | HANNOVER MESSE

IAB-Arbeitsmarktbarometer: Trotz Dämpfer auf gutem Niveau

25.04.2018 | Wirtschaft Finanzen

AWI-Forscher messen Rekordkonzentration von Mikroplastik im arktischen Meereis

25.04.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics