Molekülströme "bergauf"

Wenn man ein Stück Zucker in eine Tasse Kaffee gibt, rührt man gewöhnlich, um schneller zu erreichen, was ohnehin passiert: Die aufgelösten Zuckermoleküle breiten sich gleichmäßig aus. Das bedeutet, sie wandern in Richtung fallender Zuckerkonzentration, sozusagen „bergab“.

Bei anderen gelösten Substanzen muss dies nicht immer der Fall sein. Von genau einer solchen Beobachtung, also von Molekülströmen in Richtung wachsender Konzentration („bergauf“), berichten Physiker der Universität Leipzig in der jüngsten Ausgabe der renommierten Online-Fachzeitschrift „Nature Communications“.

Bei ihren Untersuchungen betrachtete die Leipziger Forschergruppe unter der Leitung von Prof. Dr. Jörg Kärger Moleküle im Inneren nanoporöser Materialien. Dies sind Stoffe mit Porengrößen im Bereich der Größe der Moleküle. Das wird zum Beispiel bei ihrem Einsatz zur Stoffveredelung ausgenutzt.

Während man bei allen bisherigen Untersuchungen die Stoffaufnahme solcher Materialien immer nur über die Gesamtmenge der eingedrungenen Moleküle untersuchen konnte, gelang den Leipziger Forschern nun die Messung lokaler Konzentrationen und deren Zeitabhängigkeit. Sie benutzten hierzu das von ihnen entwickelte Verfahren des „Micro-Imaging“.

„Die dabei erhältliche Information ist vergleichbar mit dem, was dem behandelnden Arzt heute die Methode der Magnetresonanz-Tomographie liefert“, erläutert Prof. Dr. Jürgen Haase, der mit zum Forscherteam gehörte. „Auch hier geht es um die Verteilung von Molekülen. Allerdings sind die Anforderungen an die Zeit- und Ortsauflösung dabei nicht so groß, wie sie bei unseren Messungen im Inneren von Kristallen mit Durchmessern von wenigen Mikrometern gestellt werden mussten.“

„Mit der Beobachtung der 'uphill-Diffusion', also der Ausbreitung von Molekülen 'bergauf', in Richtung höherer Konzentration, konnten wir erstmalig einem wichtigen Mechanismus auf die Spur kommen“, sagt Jörg Kärger.

„Die sich im Material schneller ausbreitenden Moleküle können also vorübergehend an gewissen Orten höher konzentriert auftreten und damit andere Wirkungen entfalten, als wenn sich ein Gleichgewicht eingestellt hat. Dieser Effekt des 'overshooting', also des Über-das-Ziel-Hinausschießens, könnte viele Anwendungen haben, unter anderem in der Medizin. Das ist ein spannendes Thema aktueller Forschung.“

Fachveröffentlichung in „Nature Communications“:
„Uphill diffusion and overshooting in the adsorption of binary mixtures in nanoporous solids“
(16. Juli 2015, online im Laufe des Tages)
DOI: 10.1038/ncomms8697

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Jörg Kärger
Institut für Experimentelle Physik I
Telefon: +49 341 97-32502
E-Mail: kaerger@physik.uni-leipzig.de
Web: www.uni-leipzig.de/~gfp/

Prof. Dr. Jürgen Haase
Institut für Experimentelle Physik II
Telefon: +49 341 97-32601
E-Mail: j.haase@physik.uni-leipzig.de
Web: research.uni-leipzig.de/mqf/cgi-bin/index.cgi