Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ringsystem mit Charme

03.05.2016

Eine saubere, klimafreundliche Energiequelle, die nahezu unerschöpflich ist: Das verspricht die künstliche Photosynthese. Chemikern der Universität Würzburg ist es jetzt gelungen, diesem Ziel einen Schritt näher zu kommen. In der Fachzeitschrift Nature Chemistry stellen sie ihre Ergebnisse vor.

Die Natur macht es vor: Im Rahmen der Photosynthese erzeugen Pflanzen mit Hilfe von Licht aus Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) energiereiche organische Verbindungen, meist in Form von Kohlehydraten, und Sauerstoff (O2).


Drei Rutheniumatome, die über speziell geformte organische Verbindungen miteinander verbunden sind, sorgen dafür, dass das Photosystem effizienter arbeitet als seine Vorgänger.

Grafik: Valentin Kunz & Marcus Schulze

Wenn es gelingt, diesen Prozess in einem großen Maßstab künstlich nachzuahmen, wären etliche Probleme der Menschheit vermutlich gelöst. Die künstliche Photosynthese könnte die Erde mit Brennstoffen hoher Energiedichte wie Wasserstoff, Methan oder Methanol versorgen und – nebenbei – den Kohlendioxid-Gehalt in der Atmosphäre verringern und somit den Klimawandel bremsen.

Die Entwicklung der dafür notwendigen effizienten Katalysatoren und der dazugehörigen Farbstoffe bildet einen Schwerpunkt der Forschung am Lehrstuhl von Professor Frank Würthner am Institut für Organische Chemie der Universität Würzburg.

Dort konnten zwei von Prof. Würthners Doktoranden, Marcus Schulze und Valentin Kunz, jetzt einen Teilerfolg auf dem Weg dorthin vermelden. Über ihre Ergebnisse berichten sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Chemistry.

Verbesserungen an einem künstlichen Photosystem

„In der Natur ist das sogenannte Photosystem II zentraler Bestandteil des Photosynthese-Prozesses“, erklärt Marcus Schulze. Dabei handelt es sich um einen Proteinkomplex mit einem katalytisch aktiven Zentrum bestehend aus mehreren Metallatomen. Sie müssen zusammenarbeiten, damit Wasser in seine beiden elementaren Bestandteile gespalten werden kann, was in zwei räumlich getrennt ablaufenden elektrochemischen Halbreaktionen stattfindet. Diese beiden Reaktionen im Labor nachzubilden, ist heute schon möglich.

Allerdings: „Die Wasserstoffgewinnung gelingt bereits gut. Nur die Wasseroxidation zu Sauerstoff muss noch beschleunigt werden, damit die Balance der einzelnen Halbreaktionen zueinander passt“, sagt Schulze.

Für die künstliche Photosynthese setzt die Wissenschaft noch häufig auf das seltene Edelmetall Ruthenium als Katalysator. Das künstliche System arbeitet im Prinzip ähnlich gut wie sein natürliches Vorbild. Der Katalysator neigt allerdings dazu, sich relativ schnell selbst zu zersetzen. An diesem Punkt haben die beiden Würzburger Chemiker angesetzt: „Wir haben die Ruthenium-Atome in spezielle supramolekulare Strukturen eingebaut, welche die Zerstörung bremsen und eine Art ‚Selbstheilungsprozess‘ ermöglichen“, erklärt Valentin Kunz.

Zwei Jahre Arbeit im Labor

Wie einen Ring kann man sich diese Struktur vorstellen, in dem drei Rutheniumatome über drei sogenannte Liganden – speziell geformte organische Verbindungen – miteinander verbunden sind. Maßgeschneiderte Bindungsstellen garantieren, dass Metallzentren und Liganden zueinander passen wie ein Schlüssel zum Schloss. Was sich vergleichsweise einfach anhört, war in Wirklichkeit eine mehr als zwei Jahre andauernde Tüftelarbeit im Labor. „Man dreht nach und nach an verschiedenen Schrauben und schaut, was passiert“, beschreibt Kunz diese Vorgehensweise.

Das Ergebnis ist ein „zyklisches System, das sich von selbst aus definierten Einzelbausteinen zusammensetzt“, wie die beiden Chemiker erklären. Sein einfacher Aufbau, seine einfache Herstellung und die Tatsache, dass sich die Bausteine ohne großen technischen Aufwand von alleine zur gewünschten Struktur aneinander reihen, mache „aus synthetischer Sicht“ dessen Charme aus. Diese Eigenschaft mache es für potenzielle Anwendungen besser geeignet als die bisher verwendeten Systeme.

Die nächsten Schritte

Dass der von ihnen entwickelte Wasseroxidationskatalysator zusätzlich eine höhere Effizienz aufweist, freut die Chemiker – auch wenn sie dafür noch keine eindeutige Erklärung haben. Die können möglicherweise die Experten für theoretische Chemie in absehbarer Zeit liefern, mit denen Frank Würthners Lehrstuhl eng zusammenarbeitet. Roland Mitrić, Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Chemie an der Universität Würzburg, und dessen Mitarbeiterin Merle Röhr suchen mit ihren Formeln und Algorithmen jedenfalls schon nach einer Antwort auf diese Frage.

Auch wenn das System der beiden Nachwuchswissenschaftler besser als seine Vorgänger ist: „Von der Marktreife sind wir noch weit entfernt“, erklärt Marcus Schulze. Und: „Was wir machen, ist Grundlagenforschung“, ergänzt Valentin Kunz. Dabei stehen die nächsten Schritte schon fest: Zum einen wollen die Chemiker weitere Veränderungen an der Struktur ihres Katalysators und deren Auswirkungen auf die Funktion untersuchen. Zum anderen wollen sie es mit Farbstoffen verbinden, damit die Reaktion photokatalytisch – also mit Hilfe von Licht – abläuft.

Das Verbundprojekt Soltech

Die Arbeit von Marcus Schulze und Valentin Kunz lief im Rahmen des bayernweiten Verbundprojekts Soltech (Solar Technologies Go Hybrid). 2012 gestartet, fördert der Freistaat Bayern damit die Erforschung neuer Konzepte zur Umwandlung von Sonnenenergie in Strom und nichtfossile Brennstoffe. Daran beteiligt sind sogenannte Key Labs an folgenden Universitäten: Universität Bayreuth, Universität Erlangen-Nürnberg, LMU München, TU München und Universität Würzburg.

Das Würzburger Key Lab ist am Zentrum für Nanosystemchemie angesiedelt. Dieses ist 2010 auf Initiative von Professor Frank Würthner entstanden. Seine Forschungsgruppe beschäftigt sich zum einen damit, kleine organische Moleküle gezielt zu größeren Verbänden zu arrangieren, die dann Sonnenlicht absorbieren und an Elektroden transportieren können, wo eine Umwandlung in elektrischen Strom erfolgt. Die Entwicklung künstlicher Chloroplasten, die ähnlich wie in einer pflanzlichen Zelle Lichtenergie zur Erzeugung von Brennstoffen nutzen, ist ein weiteres Ziel des Würzburger Key Labs.

Weitere Würzburger Beteiligte an dem Verbundprojekt sind die Arbeitsgruppen der Professoren Tobias Brixner, Christoph Lambert, Florian Beuerle, Roland Mitrić und Todd Marder aus der Chemie sowie der Teams von Vladimir Dyakonov und Jens Pflaum in der Physik.

A supramolecular ruthenium macrocycle with high catalytic activity for water oxidation that mechanistically mimics photosystem II; Marcus Schulze, Valentin Kunz, Peter D. Frischmann and Frank Würthner; Nature Chemistry, DOI: 10.1038/NCHEM.2503

Kontakt

Prof. Dr. Frank Würthner, Institut für Organische Chemie der Universität Würzburg, T: (0931) 31-85340, wuerthner@chemie.uni-wuerzburg.de

Weitere Informationen:

http://www.nanosystems-chemistry.uni-wuerzburg.de/home/ Zentrum für Nanosystemchemie
http://www.soltech-go-hybrid.de/ Verbundprojekt Soltech

Gunnar Bartsch | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wissenschaftliches Neuland: Die aufregende Liaison von Zucker und Proteinen
21.09.2017 | IMBA - Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften GmbH

nachricht Überleben auf der Schneeball-Erde
21.09.2017 | Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena

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: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Höher - schneller - weiter: Der Faktor Mensch in der Luftfahrt

20.09.2017 | Veranstaltungen

Wälder unter Druck: Internationale Tagung zur Rolle von Wäldern in der Landschaft an der Uni Halle

20.09.2017 | Veranstaltungen

7000 Teilnehmer erwartet: 69. Urologen-Kongress startet heute in Dresden

20.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Granulare Materie blitzschnell im Bild

21.09.2017 | Verfahrenstechnologie

Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

21.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Überleben auf der Schneeball-Erde

21.09.2017 | Biowissenschaften Chemie