Mit einer neuartigen, selbst entwickelten Laser-Messapparatur erzielten WissenschaftlerInnen der Universität Siegen neue Einblicke in eine besondere Art von Molekül-Verbindungen. Das völlig unterschiedliche Aroma von Minze und Kümmel wird von ein- und demselben Molekül verursacht. Das Besondere daran: Dieses Molekül existiert in zwei Formen, die chemisch identisch sind, sich aber wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten und daher im Körper an unterschiedliche Geruchsrezeptoren andocken. Haben Moleküle oder Molekül-Verbindungen eine solche zweite, spiegelbildliche Form, so bezeichnet man das in der Fachsprache auch als „Chiralität“. WissenschaftlerInnen der Universität Siegen ist es gelungen, dem Ursprung dieses Phänomens auf den Grund zu gehen. Sie haben dazu eine neuartige Laser-Messapparatur entwickelt.
„Chirale Moleküle haben einzigartige Eigenschaften, die sie für
viele Materialanwendungen interessant machen“, sagt Prof. Dr. Kawon Oum
aus dem Forschungsteam der Physikalischen Chemie 2 an der Universität
Siegen. Ein Beispiel sind so genannte Polymer-Dünnschichten, also
größere Verbindungen von Molekülen, die „chirales Licht“ aussenden und
erkennen können – je nachdem, ob das chirale Licht links- oder
rechtsdrehend ist. „Mit solchen chemischen Strukturen könnte man in
Zukunft zum Beispiel Computer-Displays einfacher herstellen als bisher.
Auch als zusätzliche Sicherheits-Marker auf Geldscheinen wären sie
denkbar“, erklärt Prof. Dr. Thomas Lenzer.
Mehr über die
Eigenschaften solcher besonderen Molekül-Verbindungen zu erfahren, um
zum Beispiel die Stärke der Chiralität in Zukunft gezielt steuern zu
können, war ein Ziel der ChemikerInnen. „Eine ungeklärte Frage in diesem
Zusammenhang war, ob die Chiralität eine Eigenschaft der einzelnen
Moleküle ist – oder ob sie auf die Art und Weise zurückzuführen ist, wie
die Molekül-Ketten innerhalb der Dünnschicht angeordnet sind“,
erläutern Doktorand Marius Morgenroth und Nachwuchsgruppen-Leiter Dr.
Mirko Scholz.
Um chemische Reaktionen von chiralen Verbindungen
optisch verfolgen zu können, hat das Siegener Team zunächst einen
speziellen Aufbau für die Mikroskopie entwickelt. Das Herzstück war
jedoch das Design einer neuen Laser-Messapparatur, die hinsichtlich
ihrer Zeitauflösung und spektralen Abdeckung bisher so noch nicht
verfügbar war. „Mit dieser Neuentwicklung können wir chemische Prozesse
sichtbar machen, die in unvorstellbar kurzen Zeiteinheiten ablaufen“,
erklärt Prof. Lenzer – und meint damit so genannte ‚Femto‘-Sekunden:
„Eine Femto-Sekunde verhält sich zu einer Sekunde, wie eine Sekunde –
oder auch ein Herzschlag – zu 32,7 Millionen Jahren.“
Mit dieser
neuen und hochsensiblen Messtechnik konnten die Siegener
WissenschaftlerInnen den Ursprung der Chiralität in den untersuchten
Verbindungen klar nachweisen: Die Messungen haben gezeigt, dass dieses
besondere Phänomen nicht auf die Beschaffenheit einzelner Moleküle
zurückzuführen ist, sondern auf die Art und Weise, wie die
Molekül-Ketten in den Verbindungen oder Dünnschichten angeordnet sind.
„Die chirale Anordnung der Schichten kann man sich wie einen Stapel
Toastbrot-Scheiben vorstellen, bei dem jede Scheibe regelmäßig um einen
kleinen Winkel gegen die darunter liegende verdreht ist“, erklärt Marius
Morgenroth. „Je nachdem, in welche Richtung man die Scheiben verdreht,
bekommt man eine rechts- oder linksdrehende Spirale, die sich
spiegelbildlich zu ihrem Gegenüber verhält. Über die Zahl der Stapel
kann man die Stärke der Chiralität steuern.“
Unterstützung für
ihre Forschungsarbeit haben die Siegener ChemikerInnen aus Südkorea
bekommen: Die Korea-Universität in Seoul stellte ihnen die chiralen
Molekül-Ketten zur Verfügung, aus denen anschließend in Siegen die
Dünnschichten für die Messungen hergestellt wurden. Finanzielle
Unterstützung erhält das Team außerdem von der Deutschen
Forschungsgemeinschaft (DFG), die die Forschung zu
Bild-Spiegelbild-Verhalten in Molekülen an der Universität Siegen schon
seit mehr als vier Jahren fördert. „Wir möchten unsere Arbeit in diesem
Bereich auf jeden Fall fortsetzen“, sagen Prof. Oum und Prof. Lenzer.
„Ein Traum dabei ist es, unsere Messmethoden noch empfindlicher zu
machen. Dann könnte es uns gelingen, anhand von Änderungen der
Chiralität ultraschnelle Strukturveränderungen während einer chemischen
Reaktion direkt zu verfolgen. Daraus könnte sich in Zukunft eine
Alternative zu zeitaufgelösten Röntgenmethoden entwickeln.“ en
Gemeinsamkeiten und Unterschiede spannungsabhängig gemessener
kapazitiver Ströme verschiedener Arten von Nanopartikeldispersionen
interpretiert werden. Die unerwartet hohen Kapazitäten werden auf
gelöste geladene Teilchen zurückgeführt, die sich vermehrt in
Zwischenräumen von einer kompakten an Platin (und schwächer an Gold)
gebundenen Wasserschicht und einer angrenzenden Wasserschicht anderer
Anordnung ansammeln. „Weiterhin werden Wassermoleküle von der
Metalloberfläche abgelöst, wenn negativere Spannung angelegt wird“
erklärt Dr. Julia Linnemann, Teamleiterin an Tschuliks Lehrstuhl. In
Zukunft wollen die RUB-Wissenschaftlerinnen herausfinden, ob und warum
der Doppelschichtaufbau an großen, aus vielen Nanopartikeln bestehenden
Elektroden anders ist, um die gewonnen Erkenntnisse technisch nutzbar zu
machen.