Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gruppendynamik von Atomen

03.12.2013
Forscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben erstmals experimentell eine neue Theorie bestätigt, die die Bewegung von langkettigen Molekülen in ihrer flüssigen Schmelze beschreibt.

Die Theorie geht davon aus, dass diese Schmelzen auch auf molekularer Skala nicht nur zähflüssig wie Honig sind, sondern auch elastische Eigenschaften ähnlich wie ein Gummiband aufweisen. Diese sogenannte viskoelastische Eigenschaft führt zu koordinierten Bewegungen von größeren Atomgruppen innerhalb der Schmelze.


In Coputersimulationen berechneten FAU-Forscher die Bewegungen von langkettigen Molekülen – und fanden heraus, dass diese sowohl zähflüssige als auch elastische Eigenschaften aufweisen.

Bild: T. Unruh

Die Ergebnisse tragen zum besseren Verständnis des Stofftransportes in Flüssigkeiten bei, der den Verlauf einer Vielzahl technologisch relevanter Prozesse wie das Laden bzw. Entladen von Batterien, der Elektrolyse und chemische Reaktionen, z.B. Katalyse in der flüssigen Phase, maßgeblich bestimmt.

Die Bewegung von Molekülen in Flüssigkeiten und biologischen Membranen werden in der FAU-Arbeitsgruppe für Nanomaterialcharakterisierung (Streumethoden) untersucht. Ziel der Forscher ist es, zu verstehen, wie Moleküle transportiert werden, zum Beispiel in organischen Flüssigkeiten und Zellmembranen. Im Rahmen seiner Doktorarbeit hat Humphrey Morhenn dazu Neutronenstreuexperimente, bei denen die Bewegungen der Moleküle über die Wechselwirkung mit Neutronen sichtbar gemacht werden, mit aufwändigen Computersimulationen kombiniert, in denen die Molekülbewegungen anhand physikalischer Modelle berechnet werden.

Diese Verbindung ermöglicht es, in einzigartiger Weise die hochkomplexen Molekülbewegungen im Detail zu beobachten und zu analysieren. „Durch die Neutronenstreuung lassen sich im Experiment die nur Millionstel Millimeter großen Moleküle bei Bewegungen, die in Sekundenbruchteilen ablaufen, erstaunlich gut beobachten. Dabei wird eine Probe unter denselben äußeren Bedingungen, zum Beispiel unter gleichem Druck und bei gleichen Temperaturen, untersucht, wie sie im Computer simuliert werden,“ sagt der Leiter der Arbeitsgruppe, Prof. Dr. Tobias Unruh.

Die Experimente wurden am TOFTOF-Spektrometer des Heinz Maier-Leibnitz-Zentrums in Garching durchgeführt. Dafür wurde eine Flüssigkeit in einen dünnwandigen Aluminiumbehälter gefüllt, auf 236 Grad Celsius erhitzt und in den Neutronenstrahl des Spektrometers gestellt. Dabei stoßen, vereinfacht gesagt, die Neutronen mit den Molekülen zusammen und ändern Geschwindigkeit und Flugrichtung. Diese Bewegungsänderungen haben die Wissenschaftler gemessen. Aus Ablenkung und Geschwindigkeitsänderung können Forscher nun Rückschlüsse auf die Anordnung der Atome und deren Bewegung in der Flüssigkeit ziehen. Die Ergebnisse dieser Experimente stimmen mit denen der Computersimulationen in hervorragender Weise überein. Eine detaillierte Auswertung der Computersimulation zeigt, dass sich die Atome der Moleküle in der Flüssigkeit für kurze Zeit in Gruppen miteinander bewegen, bevor diese Gruppen zerfallen und die Atome sich anderen Gruppen anschließen, die dann auch wieder zerfallen usw.

In der veröffentlichten Arbeit konnte in enger Zusammenarbeit mit einer Theoriegruppe der Universität Straßburg erstmals anhand dieser experimentell gestützten Simulationsrechnungen gezeigt werden, dass viskoelastische hydrodynamische Wechselwirkungen maßgeblich die Bewegung der Moleküle in Polymerschmelzen auf kurzen Zeitskalen beeinflussen. „Die hier erzielten Ergebnisse bilden eine wichtige Grundlage für weitere Untersuchungen auch und gerade im Bereich der Protein Membran Wechselwirkung für den vor einigen Wochen ein DFG Graduiertenkolleg an der FAU genehmigt wurde“, sagt Tobias Unruh.

Die Arbeiten wurden in enger Kooperation mit der Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz an der Technischen Universität München, dem Forschungszentrum Jülich und der Universität Straßburg durchgeführt sowie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft – u.a. im Exzellenzcluster Engineering of Advanced Materials (EAM) an der FAU – gefördert.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Tobias Unruh
Tel.: 09131/85-25189
tobias.unruh@physik.uni-erlangen.de

Blandina Mangelkramer | Uni Erlangen
Weitere Informationen:
http://www.uni-erlangen.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

nachricht Quantenreibung: Jenseits der Näherung des lokalen Gleichgewichts
01.12.2016 | Forschungsverbund Berlin e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie