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 Kosmische Schlange
20.11.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht InSight: Touchdown auf dem Mars
19.11.2018 | Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung

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: Nonstop-Transport von Frachten in Nanomaschinen

Max-Planck-Forscher entdecken die Nanostruktur von molekularen Zügen und den Grund für reibungslosen Transport in den „Antennen der Zelle“

Eine Zelle bewegt sich ständig umher, tastet ihre Umgebung ab und sendet Signale an andere Zellen. Das ist wichtig, damit eine Zelle richtig funktionieren kann.

Im Focus: Nonstop Tranport of Cargo in Nanomachines

Max Planck researchers revel the nano-structure of molecular trains and the reason for smooth transport in cellular antennas.

Moving around, sensing the extracellular environment, and signaling to other cells are important for a cell to function properly. Responsible for those tasks...

Im Focus: InSight: Touchdown auf dem Mars

Am 26. November landet die NASA-Sonde InSight auf dem Mars. Erstmals wird sie die Stärke und Häufigkeit von Marsbeben messen.

Monatelanger Flug durchs All, flammender Abstieg durch die Reibungshitze der Atmosphäre und sanftes Aufsetzen auf der Oberfläche – siebenmal ist das Kunststück...

Im Focus: Weltweit erstmals Entstehung von chemischen Bindungen in Echtzeit beobachtet und simuliert

Einem Team von Physikern unter der Leitung von Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt, Universität Paderborn, und Prof. Dr. Martin Wolf, Fritz-Haber-Institut Berlin, ist ein entscheidender Durchbruch gelungen: Sie haben weltweit zum ersten Mal und „in Echtzeit“ die Änderung der Elektronenstruktur während einer chemischen Reaktion beobachtet. Mithilfe umfangreicher Computersimulationen haben die Wissenschaftler die Ursachen und Mechanismen der Elektronenumverteilung aufgeklärt und visualisiert. Ihre Ergebnisse wurden nun in der renommierten, interdisziplinären Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

„Chemische Reaktionen sind durch die Bildung bzw. den Bruch chemischer Bindungen zwischen Atomen und den damit verbundenen Änderungen atomarer Abstände...

Im Focus: Rasende Elektronen unter Kontrolle

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektromagnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünftige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind diesem Ziel nun einen Schritt nähergekommen: Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultrakurzen Laserpulsen präzise zu steuern.

Eine Stromregelung in der Elektronik, die millionenfach schneller ist als heutzutage: Davon träumen viele. Schließlich ist die Stromregelung eine der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Personalisierte Implantologie – 32. Kongress der DGI

19.11.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz diskutiert digitale Innovationen für die öffentliche Verwaltung

19.11.2018 | Veranstaltungen

Naturkonstanten als Hauptdarsteller

19.11.2018 | Veranstaltungen

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

Für eine neue Generation organischer Leuchtdioden: Uni Bayreuth koordiniert EU-Forschungsnetzwerk

20.11.2018 | Förderungen Preise

Nonstop-Transport von Frachten in Nanomaschinen

20.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie sich ein Kristall in Wasser löst

20.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

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