Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nanomaterialen: Wie man Ringe von Ketten trennt

06.12.2017

Was ist der Unterschied zwischen einer langen Kette und einem Ring aus dem gleichen Material? Die molekulare Zusammensetzung ist identisch, jedoch besitzen beide Strukturen von einem mathematischen Standpunkt aus gesehen unterschiedliche Topologien – ringförmig und linear. Dieser Unterschied ist auf makroskopischer Ebene ohne Probleme erkennbar. Wie aber Nano- und Mikromoleküle aus dem gleichen Material unterschieden werden können, haben die PhysikerInnen Lisa Weiss und Christos Likos von der Universität Wien sowie Arash Nikoubashman von der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz untersucht. Die Ergebnisse öffnen den Weg zu neuen Materialien.

Die "rein mathematische Eigenschaft" – linear oder ringförmig – kann weitreichende Folgen in der Welt der Materialphysik haben. Da ringförmige Moleküle kein freies, angreifbares Ende besitzen, sind diese widerstandsfähiger und weniger verschränkt als lineare Ketten.


Die einzelnen grünen Punkte repräsentieren die anziehenden Stellen im Kanal, Ringe sind in rot dargestellt, lineare Ketten in blau. Dazu indiziert ein Pfeil, die Rollbewegung der Ringe.

Copyright: Lisa Weiß


Dem Team um Lisa Weiß ist es gelungen, chemisch identische Makromoleküle voneinander zu trennen.

Copyright: Oleg Domanov

Das nutzt die Natur beispielsweise im Fall von RNA und DNA um zu vermeiden, dass diese Moleküle abgebaut werden: Dabei hängen nicht nur biologische Funktionen von dem kleinen Unterschied Ring oder Kette ab, sondern auch im fließenden Zustand zeigen beide Strukturen und deren Mischungen ein deutlich unterschiedliches Verhalten.

Dieses Phänomen zeigt sich etwa auch beim Umrühren eines Topfes mit Spaghetti, die hier eine Analogie für lineare Moleküle sind: Einzelne Nudeln beginnen sich teilweise in Flussrichtung auszurichten, dennoch bleiben sie stark verschlungen. Wird ringförmige Pasta verwendet, man kann sich diese Pasta als Spaghetti mit zusammengeklebten Enden vorstellen, die weniger verschränkt ist, so ist eine Ausrichtung in Flussrichtung einfacher und der Topf mit Pasta lässt sich leichter umrühren.

Allerdings kann man eine Mischung beider Strukturen auch im Kochtopf nicht leicht in hoher Reinheit voneinander trennen, da die zu Grunde liegenden Bausteine aus dem gleichen Material aufgebaut sind. Beide Nudeltopologien bestehen aus dem gleichen Teig: Ein Versuch, die zwei Strukturen durch chemische Methoden zu trennen, ist hoffnungslos.

So muss jede Nudel einzeln herausgefischt werden um zu unterscheiden, ob es eine ringförmige Nudel oder ein Spaghetto ist. Da ein solcher Prozess auf mikroskopischer Ebene nicht möglich ist, ist die Entwicklung neuer Materialien sowie die Analyse der Topologie von biologischen Molekülen ohne neue Trennungsverfahren schwierig.

Die ForscherInnen der Universität Wien und der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz haben nun eine automatisierbare Strategie entwickelt, die ringförmige Moleküle sehr zuverlässig von ihrem linearen Gegenstück trennt. In Computersimulationen zeigten sie, dass mikroskopische Kanäle mit Stellen, die die einzelnen Bausteine von Ketten und Ringen gleichermaßen anziehen, geeignet sind, um Ringe von Ketten zu trennen. "Dabei werden lineare Ketten immobilisiert, wo hingegen Ringe 'rollen'.

Diese Rollbewegung ist nur für die Ringtopologie möglich, da sie eine geschlossene Konturlinie besitzen", erklärt Lisa Weiß vom Institut für Computergestützte Physik an der Universität Wien. Um den Filter schließlich von den dort haftenden Ketten zu reinigen, spülten die WissenschafterInnen sie mit einer Flüssigkeit, in der die Polymere nicht löslich sind, wie beispielsweise Öl in Wasser, einfach ab. Dadurch zieht sich die Kette zusammen und ändert ihre Form von einem Stäbchen zu einem Tröpfchen, welches nicht mehr an der flachen Wand kleben kann. Der Fluss reißt das Tröpfchen schließlich einfach mit und der Filter ist gereinigt.

Das Projekt wurde durch die EU-Initiative Horizon 2020 im Rahmen des Marie-Skłodowska-Curie-Netzwerks Nanotrans gefördert.

Publikation in ACS Macro Letters:
Lisa B. Weiss, Arash Nikoubashman und Christos N. Likos: Topology-Sensitive Microfluidic Filter for Polymers of Varying Stiffness. In Macro Letters (2017)
http://dx.doi.org/10.1021/acsmacrolett.7b00768

Weitere Infos zu Nanotrans: http://www.etn-nanotrans.eu/index.php

Wissenschaftliche Kontakte
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Christos Likos
Computergestützte Physik
Universität Wien
1090 Wien, Sensengasse 8/13
T +43-1-4277-732 30
M +43-664-60277-732 30
christos.likos@univie.ac.at
https://comp-phys.univie.ac.at/research/research-likos/

Lisa Weiß, MSc
Computergestützte Physik
Universität Wien
1090 Wien, Sensengasse 8/15
T +43-1-4277-732 23
lisa.weiss@univie.ac.at

Rückfragehinweis
Stephan Brodicky
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
1010 Wien, Universitätsring 1
T +43-1-4277-175 41
stephan.brodicky@univie.ac.at

Offen für Neues. Seit 1365.
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:

http://dx.doi.org/10.1021/acsmacrolett.7b00768

Stephan Brodicky | Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Adenoviren binden gezielt an Strukturen auf Tumorzellen
23.04.2018 | Eberhard Karls Universität Tübingen

nachricht Software mit Grips
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Hirnforschung, Frankfurt am Main

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: 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...

Im Focus: Metalle verbinden ohne Schweißen

Kieler Prototyp für neue Verbindungstechnik wird auf Hannover Messe präsentiert

Schweißen ist noch immer die Standardtechnik, um Metalle miteinander zu verbinden. Doch das aufwändige Verfahren unter hohen Temperaturen ist nicht überall...

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
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

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

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

Moleküle brillant beleuchtet

23.04.2018 | Physik Astronomie

Sauber und effizient - Fraunhofer ISE präsentiert Wasserstofftechnologien auf Hannover Messe

23.04.2018 | HANNOVER MESSE

Fraunhofer IMWS entwickelt biobasierte Faser-Kunststoff-Verbunde für Leichtbau-Anwendungen

23.04.2018 | Materialwissenschaften

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