Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mikrowellen enthüllen detaillierte Struktur eines molekularen Motors

12.07.2017

Mit Hilfe von Mikrowellen haben Forscher die exakte Struktur eines winzigen molekularen Motors entschlüsselt. Die Nano-Maschine besteht aus einem einzigen Molekül mit 27 Kohlenstoff- und 20 Wasserstoffatomen (C₂₇H₂₀). Wie ein makroskopischer Motor besitzt sie einen Rotor und einen Stator, die mit einer Achse verbunden sind. Die Analyse zeigt nun, wie die einzelnen Teile des Mini-Motors genau aufgebaut und arrangiert sind. Das Team unter Leitung von DESY-Wissenschaftlerin Melanie Schnell stellt seine Ergebnisse im Fachblatt „Angewandte Chemie“ vor.

Der künstliche molekulare Motor ist von dem Team des niederländischen Nobelpreisträgers Ben Feringa an der Universität Groningen hergestellt worden. Feringa, der auch Ko-Autor der Studie ist, hatte 2016 zusammen mit Jean-Pierre Sauvage von der Universität Straßburg und Sir Fraser Stoddart von der Northwestern University in den USA den Chemie-Nobelpreis für Entwurf und Herstellung von molekularen Maschinen bekommen.


Das künstliche Motormolekül besteht aus 27 Kohlenstoff- und 20 Wasserstoffatomen.

Bild: Sérgio Domingos / DESY

„Die Funktion solcher Nano-Maschinen ergibt sich ganz offensichtlich aus ihren einzigartigen strukturellen Eigenschaften“, schreiben die Autoren in ihrer Studie. „Um die molekulare Maschinerie besser zu verstehen und zu optimieren, ist es wichtig, ihre genaue Struktur zu kennen und zu verstehen, wie sich diese Struktur während wichtiger mechanischer Schritte verändert. Vorzugsweise unter Bedingungen, unter denen das System nicht durch äußere Einflüsse gestört wird.“

Das jetzt untersuchte Motormolekül ist sehr vielversprechend für eine Reihe von Anwendungen, wie Hauptautor Sérgio Domingos von DESY und vom Hamburger Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) erläutert:

„Chemiker sind ganz verrückt nach diesem Molekül und versuchen, es mit einer Reihe anderer Moleküle zu verbinden.“ Die Nano-Maschine wird durch Licht aktiviert und durchläuft dann eine Folge photochemischer und thermischer Schritte, durch die sie eine halbe Drehung vollführt. Ein erneuter Auslöser lässt den Motor dann eine komplette Rotation vollenden, so dass er in seine Ausgangsposition zurückkehrt.

„So eine lichtgesteuerte Aktivierung ist ideal, denn sie erlaubt, den Motor auf nicht-invasive und eng lokalisierte Weise fernzusteuern“, sagt Domingos. „So könnte das Molekül etwa mit einer Arznei verbunden werden, so dass sich diese lichtgesteuert präzise am gewünschten Ort im Körper ausschütten und aktivieren ließe – die lichtaktivierten Medikamente der Zukunft. Aber auch Anwendungen wie eine lichtgesteuerte Katalyse oder eine Bewegungsübertragung von der molekularen Ebene auf die makroskopische Welt wären interessante Perspektiven. Für solche Anwendungen ist es wichtig, die genaue Struktur und Arbeitsweise des Motormoleküls zu verstehen.“

Der atomare Aufbau des Motormoleküls war bereits mit Röntgenstrahlung untersucht worden. Für diese Untersuchungsmethode mussten die Moleküle zunächst zu Kristallen gezüchtet werden. Die Kristalle beugen die Röntgenstrahlung dann auf charakteristische Weise, und aus dem resultierenden Beugungsmuster lässt sich die Anordnung der Atome berechnen. „Im Gegensatz dazu haben wir isolierte Moleküle in einem Gas untersucht“, erläutert Schnell, die Leitende Wissenschaftlerin bei DESY ist und am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) arbeitet, einer Kooperation von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft. „Auf diese Weise können wir das Molekül so sehen, wie es wirklich ist, frei von allen äußeren Einflüssen wie Lösungsmitteln oder chemischen Bindungen.“

Um die Struktur der Moleküle zu bestimmen, wurden sie einem resonanten Mikrowellenfeld ausgesetzt. „Wir haben ein elektromagnetisches Feld benutzt, um alle Moleküle kohärent in dieselbe Richtung auszurichten, und haben dann ihre Relaxation beobachtet, sobald das Feld abgeschaltet wurde“, berichtet Schnell, die auch eine Forschungsgruppe am MPSD leitet und Professorin für Physikalische Chemie an der Universität Kiel ist. „Das liefert uns die Rotationskonstanten des Moleküls, die uns wiederum genaue Informationen über seinen strukturellen Aufbau liefern.“

Diese sogenannte Mikrowellenspektroskopie ist nicht simpel: Im Fall des Motormoleküls mussten die Forscher mehr als 200 Linien im Spektrum mit quantenchemischen Modellrechnungen zur Deckung bringen. „Gemessen an der Zahl der Atome ist der molekulare Motor gegenwärtig das größte Molekül, dessen Struktur bislang mit Hilfe der Mikrowellenspektroskopie gelöst worden ist“, betont Schnell.

Um die Moleküle in der Mikrowellenkammer zum Fliegen zu bringen, mussten sie zunächst auf 180 Grad Celsius aufgeheitzt und dann extrem schnell auf minus 271 Grad abgekühlt werden. „Das Aufheizen hat manche der Motoren an der Achse auseinanderbrechen lassen“, berichtet Domingos. „Auf diese Weise konnten wir den Rotor und den Stator unabhängig voneinander untersuchen und dabei ihre jeweilige Struktur bestätigen. Das liefert uns auch Hinweise auf den Mechanismus, über den sie auseinanderbrechen.“

Die Analyse lieferte einige kleine Abweichungen zur Strukturbestimmung mit Röntgenstrahlung, bei der die Moleküle im Kristall miteinander wechselwirken. „Das zeigt, dass die Struktur des Motors unzweifelhaft von seiner Umgebung beeinflusst wird“, sagt Domingos. Noch bedeutender ist jedoch, dass die Mikrowellentechnik die Untersuchung der Dynamik der Motormoleküle ermöglicht. „Jetzt, da wir das Molekül sehen, wie es wirklich ist, wollen wir es in der Bewegung einfangen“, unterstreicht Domingos. Der Rotor geht durch ein Zwischenstadium, das mit drei Minuten lange genug dauert, um sich mit Mikrowellenspektroskopie untersuchen zu lassen. Die Forscher planen bereits derartige Untersuchungen, um im Detail zu verstehen, wie der molekulare Motor funktioniert.

Die Arbeit ist bei DESY und am Hamburger Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie durchgeführt worden, mit starker Beteiligung der Universitäten Amsterdam und Groningen in den Niederlanden. Der Hamburger Exzellenzcluster Centre for Ultrafast Imaging (CUI) und die Alexander-von-Humboldt-Stiftung haben die Arbeit unterstützt.


DESY zählt zu den weltweit führenden Beschleunigerzentren und erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen über das Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuniger und Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.


Originalveröffentlichung
Cold snapshot of a molecular rotary motor captured by high-resolution rotational spectroscopy; Sérgio R. Domingos, Arjen Cnossen, Wybren J. Buma, Wesley R. Browne, Ben L. Feringa and Melanie Schnell; „Angewandte Chemie”, 2017 (early view); DOI: 10.1002/anie.201706617

Weitere Informationen:

https://www.desy.de/aktuelles/news_suche/index_ger.html?openDirectAnchor=1251&am... - Pressemitteilung mit Bildmaterial

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Spin-Strom aus Wärme: Neues Material für höhere Effizienz
20.11.2017 | Universität Bielefeld

nachricht cw-Wert wie ein Lkw: FH Aachen testet Weihnachtsbaum im Windkanal
20.11.2017 | FH Aachen

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: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

500 Kommunikatoren zu Gast in Braunschweig

20.11.2017 | Veranstaltungen

VDI-Expertenforum „Gefährdungsanalyse Trinkwasser"

20.11.2017 | Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Künstliche neuronale Netze: 5-Achs-Fräsbearbeitung lernt, sich selbst zu optimieren

20.11.2017 | Informationstechnologie

Tonmineral bewässert Erdmantel von innen

20.11.2017 | Geowissenschaften

Hemmung von microRNA-29 schützt vor Herzfibrosen

20.11.2017 | Biowissenschaften Chemie