Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Simulation des Tunneleffekts für große Moleküle

21.06.2011
Durch Abkürzung schneller zum Ziel

Ein Ball, der gegen eine Wand geworfen wird, prallt zurück. Würde er sich quantenmechanisch bewegen, wie es Teilchen auf atomarer und molekularer Skala tun, hätte er eine gewisse Wahrscheinlichkeit, die Wand zu durchtunneln. Dies passiert umso häufiger, je dünner oder niedriger das Hindernis und je leichter das Teilchen ist. Den Tunneleffekt bei Atomen zu simulieren, war bisher aufwendig und kompliziert.


Ohne Quanteneffekte müsste die Reaktion vom linken zum rechten Molekül den steilen blauen Pfad über die Potentialbarriere nehmen. Je tiefer die Temperatur (gelber bis roter Pfad), desto eher tunneln die Atome durch die Barriere hindurch. (Foto: Universität Stuttgart/Johannes Kästner)

Jun.-Prof. Johannes Kästner und sein Team vom Institut für Theoretische Chemie an der Universität Stuttgart haben eine Methode entwickelt, mit der erstmals Wahrscheinlichkeiten für Tunnelvorgänge in Molekülen der Größe von Enzymen, also mit mehreren zehntausend Atomen, berechnet werden können. Gerade für chemische oder biochemische Prozesse spielt der Tunneleffekt eine große Rolle, weil er die Reaktionen beschleunigt.

In der traditionellen Quantenchemie werden nur die Elektronen quan-tenmechanisch beschrieben, Atome jedoch klassisch. Mit dem neuen „Harmonic Quantum Transition State Theory“ (HQTST)-Verfahren können die Stuttgarter sowohl Elektronen als auch Atome quantenmechanisch effizient beschreiben. Übersetzt heißt die Methode „Harmonische Quantenübertragungszustands-Theorie“.

Für die Simulation zogen die Wissenschaftler eine bereits 30 Jahre alte Theorie heran und entwickelten einen verbesserten Algorithmus. Dadurch werden Simulationen von Modellen realistischer Größe möglich, die zudem viel schneller Ergebnisse liefern. Die theoretischen Berechnungen haben im Gegensatz zum Experiment den Vorteil, dass die Chemiker den Tunneleffekt beliebig ein- und ausschalten können, um seine Wirkung zu erforschen.´

Zurzeit untersucht Kästners Team in dem von der Landesstiftung Baden-Württemberg geförderten Projekt „Berechnung der Tunnelrate bei chemischen Reaktionen in großen Systemen“ den Tunneleffekt von Atomen in biochemischen Prozessen. Zusammen mit den Projektpartnern im Exzellenzcluster SimTech der Universität Stuttgart und an anderen Universitäten im In- und Ausland wenden die Stuttgarter Wissenschaftler beispielsweise die HQTST-Methode an, um zu untersuchen wie das Enzym Glutamat-Mutase arbeitet. Das Enzym überträgt Wasserstoffatome auf Substrate. Die Chemiker nehmen an, dass dies erst durch den Tunneleffekt effizient geschieht.

Erste Ergebnisse des Projekts deuten darauf hin, dass der Tunneleffekt tatsächlich die Enzymreaktion beschleunigt.

Mit der gleichen Methode haben die Stuttgarter Wissenschaftler bereits gezeigt, wie sich Wasserstoffatome im Weltraum zu Wasserstoffmolekülen verbinden können. Diese Reaktion läuft nur dank des Tunneleffekts effizient genug ab, um die experimentell gemessene Konzentration von Wasserstoffmolekülen zu erklären. Bei Temperaturen unter -200 Grad Celsius, die in interstellaren Wolken vorherr-schen, würde die Reaktion ohne den Tunneleffekt länger dauern als das Weltall existiert – ein Ding der Unmöglichkeit. Astronomische Messungen können zwar feststellen, welche Moleküle im Weltraum vorhanden sind, aber nicht wie diese gebildet werden. Die Simulation der Stuttgarter bringt Licht in diesen Prozess.

Ansprechpartner: Jun.-Prof. Johannes Kästner, Institut für Theoretische Chemie, Tel. 0711/685-64473, e-mail: kaestner@theochem.uni-stuttgart.de

Andrea Mayer-Grenu | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-stuttgart.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neuer Impfstoff-Kandidat gegen Malaria erfolgreich in erster klinischer Studie untersucht
25.04.2018 | Universitätsklinikum Heidelberg

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

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: Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

Das Kleben der Zellverbinder von Hocheffizienz-Solarzellen im industriellen Maßstab ist laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Anlagenhersteller teamtechnik marktreif. Als Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojekts »KleVer« ist die Klebetechnologie inzwischen so weit ausgereift, dass sie als alternative Verschaltungstechnologie zum weit verbreiteten Weichlöten angewendet werden kann. Durch die im Vergleich zum Löten wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen können vor allem temperatursensitive Hocheffizienzzellen schonend und materialsparend verschaltet werden.

Dabei ist der Durchsatz in der industriellen Produktion nur geringfügig niedriger als beim Verlöten der Zellen. Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung wurde...

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...

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

Neuer Impfstoff-Kandidat gegen Malaria erfolgreich in erster klinischer Studie untersucht

25.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Erkheimer Ökohaus-Pionier eröffnet neues Musterhaus „Heimat 4.0“

25.04.2018 | Architektur Bauwesen

Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

25.04.2018 | Energie und Elektrotechnik

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