Getrennt und doch zusammen: Nanokapseln mit Schlaufen sind auf immer verbunden

Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben ein Molekül hergestellt, das bei Überstreckung auseinanderbricht, dann aber wieder zu seiner ursprünglichen Form zurückfinden kann.

Sie stellen damit den ersten mechanisch herbeigeführten, umkehrbaren Bindungsbruch eines einzelnen Moleküls vor. „Es ist in etwa so, als ob wir zwei miteinander verbundene Kapseln auseinanderziehen, bis sie in der Mitte entzweibrechen. Wenn wir dann loslassen, können sich die beiden Hälften wieder zusammenfügen“, erklärt Univ.-Prof. Dr. Andreas Janshoff zu den Nanotechnologie-Arbeiten. Die Umkehrbarkeit des Vorgangs wird durch eine Schlaufenverbindung zwischen den beiden Hälften des Moleküls erreicht. Die Forschungsarbeiten wurden jetzt in dem Fachjournal Nature Nanotechnology vorgestellt.

Bei dem Versuchsobjekt der Nano-Wissenschaftler handelt es sich um ein sogenanntes Calixaren-Dimer, ein Molekül, das aus zwei Teilen besteht – daher die Bezeichnung „Dimer“ – und das mit einer Größe von wenigen Nanometern zu den vergleichsweise großen Molekülen gehört. Calixarene finden Einsatz in der Analytik, da sie in der Lage sind Gastverbindungen selektiv einzuschließen. Durch ein spezielles Moleküldesign gelang es dem Team von Physikochemikern und organischen Chemikern, ein „verschlauftes“ Calixaren-Dimer herzustellen, bei dem die beiden Teile durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden. Werden die Nanokapseln nun mit Hilfe einer extrem feinen Messspitze mechanisch verstreckt, reißen sie auseinander. „Durch die Verschlaufung können die Hälften aber nicht unendlich weit auseinander gehen, sondern sie werden von den molekularen Schlaufen zurückgehalten“, erklärt Janshoff. Zusammen mit den Professoren Jürgen Gauß und Gregor Diezemann vom Institut für Physikalische Chemie sowie Volker Böhmer und Nachwuchswissenschaftlerin Yuliya Rudzevich vom Institut für Organische Chemie sowie Piotr Marszalek von der Duke University hat er vor seinem Wechsel an die Georg-August-Universität Göttingen die Arbeiten im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 625 in Mainz durchgeführt. „Durch die Länge der Schlaufen können wir beispielsweise exakt limitieren, wie weit sich die beiden Teile des Moleküls auseinanderziehen lassen.“

Die Einzelmolekül-Experimente geben den Wissenschaftlern ein besseres Verständnis davon, wie der Molekülkomplex bei Einwirkung einer äußeren Kraft zusammenhält und wie das Wasserstoffbrücken-Netzwerk funktioniert. Darüber hinaus liefern die experimentellen Tests auch die Grundlage für viele Theorien der aktuellen statistischen Mechanik: Ob die Moleküle in der komplexen Form mit beiden Hälften zusammen vorliegen oder ob sie mit den getrennten Hälften auftreten, kann durch die Schlaufenlänge eingestellt werden und so gezielt der Übergang von einem Gleichgewichts- in einen Nicht-Gleichgewichtszustand durch geschwindigkeitsabhängige Zugexperimente vollzogen werden. Dadurch können Theorien überprüft werden die aus dem Nicht-Gleichgewichtszustand die freie Energie rekonstruieren wollen. Diesem Thema wollen sich die Wissenschaftler in Zukunft verstärkt zuwenden.

Originalveröffentlichung:
Matthias Janke, Yuliya Rudzevich, Olena Molokanova, Thorsten Metzroth, Ingo Mey, Gregor Diezemann, Piotr E. Marszalek, Jürgen Gauss, Volker Böhmer, Andreas Janshoff
Mechanically interlocked calix[4]arene dimers display reversible bond breakage under force
Nature Nanotechnology, Online-Veröffentlichung 8. Februar 2009
doi:10.1038/nnano.2008.416
Kontakt und Informationen:
Prof. Dr. Andreas Janshoff
Institut für Physikalische Chemie
Georg-August-Universität-Göttingen
Tel. +49 551 39-10633
E-Mail: ajansho@gwdg.de
Dr. Yuliya Rudzevich
Institut für Organische Chemie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Tel. +49 6131 39-23873
Fax +49 6131 39-25419
E-Mail: rudzevic@uni-mainz.de

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