Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Elegante Kettenbildung: Münsteraner lösen chemisches Problem mithilfe der Nanotechnologie

14.10.2011
Physiker entwickeln gemeinsam mit Chemikern einfaches und energieeffizientes Verfahren zur Erzeugung langkettiger linearer gesättigter Polymere / Publikation in "Science"

Wie bringt man kurze Ketten aus reaktionsträgen, linearen ("spaghettiförmigen") Kohlenwasserstoffmolekülen dazu, eine einzige lange Kette zu bilden? Für Chemiker ist das ein schwieriges und seit Langem bekanntes Problem. Sie können solche Ketten nur mühsam und mit einem sehr hohen Energieaufwand erzeugen.

Münstersche Wissenschaftler vom Center for Nanotechnology (CeNTech) und der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) haben nun mithilfe eines nanotechnologischen Ansatzes eine elegante Lösung gefunden. Bei dem neuen Verfahren verknüpfen sich Kohlenwasserstoffketten "von selbst" an ihren Enden miteinander und erzeugen lange Molekülketten, sogenannte langkettige lineare gesättigte Polymere. Das Verfahren funktioniert einfach und ohne großen Energieaufwand. Die Forscher berichten in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachmagazins "Science" von ihrer Entdeckung.

Die Physiker vom CeNTech und vom Physikalischen Institut der WWU – ein Team um Dr. Dingyong Zhong, Professor Harald Fuchs und Professorin Lifeng Chi – haben einen nanotechnologischen Trick eingesetzt: Extrem feine Goldkanäle, die kaum breiter sind als die Kohlenwasserstoffketten, zwingen die Moleküle, sich alle entlang der gleichen Achse auszurichten. Da die Moleküle sich nur gestreckt innerhalb der Kanäle vor- und zurückbewegen können, treffen die Enden automatisch frontal aufeinander, "kleben" zusammen und bilden lange Ketten – lineare Polymere. Was auf diese Weise einfach klappt, ist mit herkömmlichen Methoden ein Problem. Denn dass sich aus den kurzen Ketten eine lange bildet, ist eigentlich unwahrscheinlich, ähnlich wie bei Spaghetti, die in einem Topf auf dem Herd schwimmen. Selbst wenn die Enden der Nudelschnüre sehr klebrig wären, würden nur sehr selten zwei Enden zufällig genau frontal aufeinandertreffen und zusammenkleben. Dass sich eine sehr lange Spaghetti-Kette bildet, wäre kaum zu erwarten.

Die Goldkanäle entstehen bei leichter Erwärmung des Metalls von selbst. Diese sogenannte Selbstorganisation macht das Verfahren sehr einfach – die Oberfläche muss nicht aufwendig von den Wissenschaftlern strukturiert werden. Ein weiterer Clou: Die Goldatome aktivieren die Kohlenwasserstoffketten, machen sie also für die Reaktion bereit. Normalerweise sind die von den Forschern eingesetzten Kohlenwasserstoffketten reaktionsträge. Sie reagieren also kaum von selbst mit anderen Molekülen. Nach herkömmlichen Methoden müssen Chemiker zur Aktivierung zunächst viel Energie einsetzen, in der Regel sehr hohe Temperaturen. Mit dem neuen Verfahren wird diese Energie gespart.

Damit das Verfahren funktioniert, muss es unter Ultrahochvakuumbedingungen stattfinden, und es sind sehr saubere Goldoberflächen nötig. Die langen Kanäle in den Goldoberflächen haben einer Breite von nur etwas über einem Nanometer, also einem millionstel Millimeter. "In der Fachwelt spricht man bei diesen Strukturen auch von einem eindimensionalen 'Confinement', das die Stoffe, die miteinander chemisch reagieren, in eine bestimmte räumliche Position bringt", erläutert Harald Fuchs. "So tritt, wie in diesem Fall, im Wesentlichen nur die gewünschte Reaktion an den Kettenenden auf."

Für den Erfolg der Arbeit war die enge Zusammenarbeit der Physiker mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Gerhard Erker vom Organisch-Chemischen Institut der WWU entscheidend. Um die Ergebnisse abzusichern, waren zahlreiche Kontrollversuche erforderlich. Dazu hat die Arbeitsgruppe von Gerhard Erker in Kooperation mit dem CeNTech-Team speziell synthetisierte Moleküle bereitgestellt. So konnten die Forscher zum Beispiel demonstrieren, dass bei Molekülen mit nur jeweils einem reaktiven ("klebrigen") Ende tatsächlich wie erwartet nur kurze Ketten aus genau zwei Molekülen auftreten – ein Beleg dafür, dass das Verfahren funktioniert und die chemische Reaktion steuerbar ist. Darüber hinaus konnten die Münsteraner ihre Ergebnisse mit theoretischen Rechnungen untermauern.

"Die Ergebnisse sind ein wunderbares Beispiel dafür, wie eine geschickte Kombination von Nanowissenschaften und organischer Chemie neue Wege der energieschonenden Erzeugung von linearen gesättigten Polymeren ermöglicht", betont Harald Fuchs. "Diese Polymere sind Materialien, die für die Industrie von großem praktischem Interesse sind." So könnten sie beispielsweise der einfachen und kostengünstigen Herstellung hochwertiger Kunststoffe dienen.

Literatur:

Zhong D. et al. (2011): Linear Alkane Polymerization on a Gold Surface. Science Vol. 334 no. 6053 pp. 213-216; DOI: 10.1126/science.1211836

Dr. Christina Heimken | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenster.de/
http://www.sciencemag.org/content/334/6053/213.full

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress
23.02.2018 | Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT)

nachricht Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren
23.02.2018 | Max-Planck-Institut für molekulare Genetik

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: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

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

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

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