Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Moleküle in der Mikrofalle

26.06.2009
Max-Planck-Forscher fangen Moleküle auf einem Mikrochip und vereinfachen damit viele Experimente

Was Sam Meek und seine Kollegen mit Molekülen auf einem Chip anstellen, erinnert an die Künste manchen Fußballers: Wie der mit einer geschickten Beinbewegung einen Pass stoppt, den Ball einen Moment still hält und ihn dann mit einem Schuss ins Tor versenkt, bremsen die Forscher des Fritz-Haber-Instituts Kohlenmonoxid-Moleküle mit elektrischen Feldern, um sie dann wieder zu beschleunigen und in einem Detektor nachzuweisen - und das alles auf einer Strecke von fünf Zentimetern.

Obendrein sind die Moleküle aber rund zehn mal schneller als ein stramm geschossener Ball. Mit dem Kunststück erleichtern die Max-Planck-Forscher Experimente mit Molekülen in der Gasphase. Dafür waren bislang sehr große und aufwändige Geräte nötig. (Science, 26. Juni 2009)

Chemie geht nicht ohne Stoßen: Moleküle prallen zusammen, bleiben aneinander hängen, fliegen wieder auseinander oder zerfallen sogar. Daher lernen Forscher auch viel über die Vorgänge in chemischen Reaktoren oder in der Atmosphäre, wenn sie in der Gasphase Stöße von Molekülen und die Lebensdauer von Zuständen studieren. "Solche Untersuchungen werden jetzt deutlich einfacher", sagt Gerard Meijer, in dessen Abteilung am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft Forscher jetzt Moleküle auf einem Chip eingefangen haben.

Nach den Plänen der Forscher hat die Berliner Firma micro resist technology mehr als 1200 Goldelektroden mit weniger als einer halben Haaresbreite Abstand auf einer Glasplatte platziert. Die Elektroden sind jeweils vier Millimeter lang und nur ein Zehntel so dick wie ein Haar. Den Chip positionieren die Forscher in einer Vakuum-Apparatur und legen an die Elektroden sechs verschiedene Wechselspannungen an. So erzeugen sie im Abstand von einem Zehntel Millimeter zylindrische Potenzialminima, die parallel zu den Elektroden laufen und wie Käscher Moleküle fangen. Die Moleküle müssen allerdings ein elektrisches Dipolmoment besitzen, also wie Kohlenmonoxid oder Wasser aus unterschiedlichen chemischen Elementen bestehen.

"Über die Frequenzen der Wechselspannung an den Elektroden steuern wir, wie schnell sich die Potenzialminima über den Chip bewegen", erklärt Sam Meek. Zu Beginn rasen die Fallen mit 325 Metern pro Sekunde, also Überschallgeschwindigkeit, über den Chip. Denn mit dieser Geschwindigkeit treffen die schnellsten Kohlenmonoxidmoleküle auf den Chip, die die Forscher in einem Molekularstrahl in die Mikrofalle treiben. Rund zehn Moleküle landen dann in einer Potenzialfalle, die mit dem Strahl über den Chip saust.

Nun regeln die Wissenschaftler die Frequenz der Wechselspannungen runter und bremsen so die Fallen samt gefangenen Molekülen ab. Dabei nehmen die Fallen aus dem Molekularstrahl nach und nach langsamere Moleküle auf. In dem Strahl fliegen die Moleküle nämlich im Schnitt mit 300 Metern pro Sekunde, die langsamsten aber nur 275 Metern pro Sekunde. Haben die Forscher auf diese Weise mehrere Dutzend Fallen beladen, bringen sie die Moleküle ganz nach Wunsch zum Stillstand oder auf eine beliebige Geschwindigkeit.

"Dabei fokussieren wir die Geschwindigkeit der Moleküle", sagt Sam Meek: Am Ende des Bremsweges variiert ihre Geschwindigkeit nur noch um wenige Meter pro Sekunde. Nun beschleunigen die Forscher die Moleküle wieder und schleudern sie vom Chip auf einen Detektor. "Dabei wählen wir die Geometrie und die Beschleunigung so, dass sich ihre Geschwindigkeit beim Verlassen des Chips wieder auffächert", erklärt Meek: "Auf diese Weise fokussieren wir die Moleküle räumlich, so dass sie alle gleichzeitig auf den Detektor treffen."

Atome lassen sich bereits seit einigen Jahren in magnetischen Fallen auf Chips gefangen. Allerdings können Physiker Atome sehr gut mit Laserstrahlen bremsen, bevor sie die Teilchen auf einem Chip manövrieren. Dabei erfährt das Atom jedes Mal, wenn es ein Laserphoton aufnimmt, einen kleinen Stoß. Geschickt eingesetzt lässt es sich mit diesen kleinen Schubsern stoppen. Das funktioniert aber nur, weil ein Atom auf alle Laser-Photonen in gleicher Weise reagiert. Moleküle tun das nicht - wenn sie ein Photon absorbieren, machen sie alles Mögliche, gebremst werden sie jedenfalls nicht. Daher müssen die Berliner Forscher sie auf dem Chip zur Ruhe bringen.

"Da wir jetzt auch Moleküle auf Chips fangen können, ermöglichen wir viele neue physikalische Experimente", sagt Gerard Meijer. So wird es künftig viel leichter die Lebensdauer von Zuständen zu bestimmen. Der Zustand eines Moleküls hängt von der Energie seiner Elektronen ab, aber auch davon, wie stark es schwingt oder rotiert. Da die Mikrofalle nur bei bestimmten Zuständen der Moleküle verfängt, brauchen die Forscher nun nur zu messen, wie lange sie das fragliche Molekül auf dem Chip fangen und anschließend noch nachweisen können.

Die Forscher möchten in der Mikrofalle auch Stöße verschiedener Moleküle untersuchen. Zu diesem Zweck müssten sie Gemische von Molekülen in die Falle jagen. "Wir hoffen, dass wir dabei Quanteneffekte beobachten können, die bislang experimentell kaum nachweisbar waren." Auf diese Weise ließen sich auch Fortschritte auf dem Weg zu einem Quantencomputer erzielen. Auf einem Chip gespeicherte polare Moleküle könnten nämlich als Quantenbits dienen und Rechnungen ausführen, indem sie miteinander wechselwirken. "Davon sind wir natürlich noch weit entfernt", sagt Gerard Meijer: "Wir sind aber zuversichtlich, dass wir mit der Molekülfalle ein ganz neues Forschungsfeld eröffnen."

Originalveröffentlichung:

Samuel A. Meek, Horst Conrad, Gerard Meijer
Trapping Molecules on a Chip
Science, 26. Juni 2009
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Prof. Gerard Meijer, Abt. Molekülphysik
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin
Tel.: +49 30 8413-5602
E-Mail: meijer@fhi-berlin.mpg.de

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Aus-Schalter für Nebenwirkungen
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Biochemie

nachricht Ein Fall von „Kiss and Tell“: Chromosomales Kissing wird fassbarer
22.06.2018 | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics