Erster mechanisch herbeigeführter, reversibler Bindungsbruch eines Einzelmoleküls gelungen Schlaufen machen Nanokapseln unzertrennlich - scinexx | Das Wissensmagazin
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Erster mechanisch herbeigeführter, reversibler Bindungsbruch eines Einzelmoleküls gelungen

Schlaufen machen Nanokapseln unzertrennlich

Verstreckung von oligomeren Calixaren-Catenanen mit einer Rastersonde und die damit verbundenen Kraft-Dehnungskurven, die ein typisches Sägezahnmuster aufweisen. © Andreas Janshoff

Mainzer Wissenschaftler haben ein Molekül hergestellt, das bei Überstreckung auseinanderbricht, dann aber wieder zu seiner ursprünglichen Form zurückfinden kann. Sie stellen damit in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ 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 Professor Andreas Janshoff von der Universität Mainz zu den Nanotechnologie-Arbeiten. Die Umkehrbarkeit des Vorgangs wird durch eine Schlaufenverbindung zwischen den beiden Hälften des Moleküls erreicht.

Bei dem Versuchsobjekt der Nano-Wissenschaftler handelt es sich um ein so genanntes 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.

Verschlauftes Calixaren-Dimer hergestellt

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.

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„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.“

Funktion des Wasserstoffbrücken-Netzwerk aufgedeckt

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.

(idw – Universität Mainz, 16.02.2009 – DLO)

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