Winzige Teilchen bringen Rostocker Chemikern großen Erfolg

Rostocker Forschern ist es unter Leitung des Physikochemikers Professor Joachim Wagner erstmals gelungen, die Bewegung winziger, stäbchenförmiger Partikel aus Eisenoxid in Wasser richtungsabhängig zu untersuchen.

Das Verständnis der Bewegung ist wichtig für biologische Prozesse in der Zelle oder für das Verhalten von Flüssigkristallen, die in Bildschirmen benutzt werden.

Im Institut für Chemie werden definierte, stäbchenförmige Partikel aus Hämatit, das ist eine Form von Eisenoxid, hergestellt, die mit einer Größe von einem Zehntausendstel Millimeter so klein sind, dass sie mit einem Mikroskop nicht beobachtet werden können, sich aber dennoch in Magnetfeldern ausrichten. Nur mit einem Elektronenmikroskop kann man derart kleine Partikel direkt abbilden, jedoch nur im eingetrockneten Zustand.

„Weil die Teilchen so winzig sind, setzen sie sich nicht in Wasser ab, sondern vollziehen dort eine vollkommen zufällige, Brownsche Bewegung“, beschreibt Wagner. Der Botaniker Robert Brown hat dieses Phänomen bereits 1827 anhand der unregelmäßigen Bewegung von Pollen in einem Wassertropfen mit einem Lichtmikroskop beobachten können. Um die Bewegung der deutlich kleineren Eisenoxid-Stäbchen nachzuweisen, nutzten Forscher von der Universität Rostock und vom Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg nun ein gigantisches Mikroskop: die europäische Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Grenoble (Frankreich).

Dort erzeugen Elektronen, die nahezu mit Lichtgeschwindigkeit – etwa 300 000 km/s – einen Ring mit 844 m Umfang durchlaufen, hochintensive Röntgenstrahlung. Übrigens: Das Rostocker Institut nutzt für seine Experimente Großforschungseinrichtungen im In- und Ausland.

Diese Synchrotronstrahlung ermöglichte es den Wissenschaftlern nachzuweisen, dass die ausgerichteten Stäbchen sich wie erwartet in Längsrichtung schneller bewegen als senkrecht dazu. Die Bewegung in Längsrichtung ist sogar deutlich schneller als bisher theoretisch vorhergesagt. Neue theoretische Rechnungen, die die Form der Partikel genauer berücksichtigen, bestätigen inzwischen die Ergebnisse des Versuchs. „Will man biologische Prozesse verstehen, muss man wissen, wie sich Proteine in wässrigen Systemen bewegen“, sagt Prof. Wagner.

Die in einer international renommierten Fachzeitschrift publizierten Erkenntnisse der Rostocker Chemiker hat das Direktorium der ESRF als „Scientific Highlight“ des Jahres 2013 in den kürzlich erschienenen Jahresbericht aufgenommen. „Das ist ein schöner Erfolg, wenn man bedenkt, wie schwierig es ist, Messzeit an der ESRF zu bekommen“, freut sich Prof. Wagner. „Das muss wissenschaftlich gut begründet sein“.

Noch handelt es sich hier um reine Grundlagenforschung. Die Eisenoxid-Stäbchen, die sich in einem Magnetfeld ausrichten, können jedoch als Modellsystem für Proteine oder Flüssigkristalle angesehen werden. Wenn man versteht, wie sich Moleküle oder winzige Partikel richtungsabhängig in magnetischen oder elektrischen Feldern bewegen, kann man gezielt technische Anwendungen wie z. B. Flüssigkristalle enthaltende LCD-Displays optimieren oder gar solche Partikel für die Realisierung von Nanomaschinen nutzen. „Unsere heutigen technischen Innovationen fußen oft auf der Grundlagenforschung unserer Vorfahren. Gerade Investitionen in die Grundlagenforschung sind daher das Fundament für künftige Innovationsfähigkeit“, sagt Professor Wagner.

Universität Rostock
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Institut für Chemie
Prof. Dr. Joachim Wagner
T: 0381 498 6512
Mail: joachim.wagner@uni-rostock.de