Grundlegendes naturwissenschaftliches Prinzip erstmals nachgewiesen

Diffusion ist die allgegenwärtige unregelmäßige Bewegung von Atomen und Molekülen. Sie ist Voraussetzung für das Bestehen lebender Organismen und Grundlage vielfältiger Technologien zur Produktveredlung, angefangen bei der Fertigung opto-elektronischer Bauelemente bis hin zur umweltverträglichen Herstellung hochwertiger Kraftstoffe.

Das Ergodentheorem ist eines der wichtigsten Prinzipien der Statistischen Mechanik, also der „Theorie der Wärme“. Es besagt, dass ein einzelnes Teilchen eines Systems nacheinander all die „chaotischen“ Bewegungen ausführt, die im Gesamtsystem („Ensemble“) von allen Teilchen gleichzeitig ausgeführt werden, also vom Verhalten des Einzelteilchens auf das gesamte System und, umgekehrt, vom gesamten System auf das Einzelteilchen geschlossen werden kann.

Den Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Jörg Kärger und Dr. Rustem Valiullin von der Universität Leipzig sowie von Prof. Dr. Christoph Bräuchle von der Ludwig-Maximilians-Universität München ist nun erstmalig der experimentelle Beleg hierfür gelungen. Ihre Resultate haben sie kürzlich in einem gemeinsamen Artikel (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201105388/abstract) in der Online-Ausgabe der renommierten deutschen Fachzeitschrift „Angewandte Chemie – International Edition“ veröffentlicht.

Die neuen, bahnbrechenden Erkenntnisse sind das Ergebnis einer fünfjährigen Zusammenarbeit zweier führender Gruppen auf den jeweiligen Gebieten, nämlich der Einzelmolekül-Beobachtung um Bräuchle in München und der Ensemble-Messung mit der Methode der gepulsten Feldgradienten der Kernmagnetischen Resonanz (NMR) um Kärger und Valiullin in Leipzig. Wie Kärger erläuterte, wurde in dieser Zusammenarbeit ein aus der Natur der jeweiligen Messtechniken resultierendes Problem gelöst, dass nämlich Einzelmoleküle idealerweise bei niedrigen Konzentrationen und geringen Beweglichkeiten beobachtet werden, während NMR-Messungen mit Molekülensembles das genaue Gegenteil erfordern. Der Nachweis des Ergodentheorems bedeutet einen Durchbruch in der fast zweihundertjährigen Geschichte der Diffusionsmessungen. Eine besondere Herausforderung, so Bräuchle, stellen nun vergleichende Einzelmolekül- und Ensemble-Messungen unter Bedingungen dar – wie z.B. in biologische Zellen, wo das Ergodentheorem nicht uneingeschränkt anwendbar ist.

Die Leipziger Arbeiten wurden im Rahmen des Profilbildenden Forschungsbereichs (PbF) 1 der Universität mit Unterstützung zweier von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten überregionalen Forschungsverbünde – der Sächsischen Forschergruppe „From Local Constraints to Macroscopic Transport“ und des Internationalen Graduiertenkollegs „Diffusion in Porous Materials“ – durchgeführt. Sie stehen in einer großen lokalen Tradition, denn die beiden wichtigsten Diffusions-Gleichungen, die Fickschen Gesetze (1855) und die Einstein-Beziehung (1905), sind erstmalig in Leipzig veröffentlicht worden. Im Jubiläumsjahr 2005 dieser grundlegenden Arbeiten begann hier in Leipzig eine Konferenzserie über „Diffusion-Fundamentals“, die sich, nach L'Aquila 2007 und Athen 2009, im August 2011 bei ihrer ersten Reise nach Übersee in die USA

(http://www.uni-leipzig.de/diffusion/conferences.html) zu einem besonderen Erfolg gestaltet hat.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Jörg Kärger
Telefon: +49 341 97-32502
E-Mail: kaerger@physik.uni-leipzig.de
www.uni-leipzig.de/~gfp/kaerger
Dr. Rustem Valiullin
Telefon: +49 341 97 32515
E-Mail: valiullin@uni-leipzig.de
www.uni-leipzig.de/~valiu