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Medizin

13. März 2019 Schaltverhalten von Molekülen identifiziert

Chemiker und Physiker der Universität Rostock konnten jüngst einen molekularen Schalter auf Phosphorbasis charakterisieren, wie er bislang noch nicht beobachtet worden ist. Damit leisten die Wissenschaftler einen Beitrag zur Grundlagenforschung an der Universität Rostock.
Molekulare Schalter sind Moleküle, die ihre Struktur zum Beispiel durch Einstrahlen von Licht verändern können. Sie können im Bereich der Miniaturisierung von Elektronik Anwendung finden, beispielsweise als Datenspeicher auf molekularer Ebene oder auch als Molekulare Maschinen, wie zum Beispiel winzige Motoren, die nicht größer als ein Molekül sind. Bekannt sind molekulare Schalter auch in Organismen. Beispielsweise verwendet die Natur molekulare Schalter im Auge. Sie erzeugen den Sehreiz und sind damit für unser Sehvermögen unabdingbar.

Schaltverhalten von Molekülen

„Die Entdeckung des Schaltverhaltens war rein zufällig,“ bemerkt Professor Axel Schulz, Rostock, auf die Frage, wie es zu der Entdeckung gekommen sei. Er erläutert: „Die Verbindung bildet dunkelblaue Kristalle, die sich unter Einwirkung von Licht entfärben.“ Bereits schwaches Licht reiche aus, um die Struktur der Verbindung zu verändern, weshalb sich die Aufklärung der Molekülstruktur als schwierig erwiesen habe. Alle Arbeiten zur Bestimmung der Molekülstruktur mussten in völliger Dunkelheit erfolgen.

Der entdeckte molekulare Schalter steuere den Ablauf einer chemischen Reaktion, die durch Bestrahlung mit Licht in 2 verschiedene Richtungen gelenkt werden könne. „Das kann man sich vorstellen wie eine Ampel, die Autos in verschiedene Richtungen fahren lässt, nur dass sich das Ganze auf der molekularen Ebene abspielt“, sagt Dr. Jonas Bresien, Rostock. „Unseres Wissens ist ein solches Verhalten zuvor nicht beobachtet worden.“

Untersuchung mittels Kernresonanz-Spektroskopie

So konnte die chemische Verbindung mithilfe der magnetischen Kernresonanz-Spektroskopie untersucht werden. „Mit dieser Methode kann man sozusagen in das Innere von Molekülen schauen, ähnlich wie ein MRT (Magnetische Resonanz Tomografie) in das Innere von Lebewesen schauen kann,“ erklärt Bresien. „Durch Bestrahlen der Probe innerhalb des Spektrometers konnten die strukturellen Veränderungen beim Schalten direkt beobachtet werden,“ erläutert Schulz.

Mechanismus soll künftig katalytische Prozesse steuern

Um das Schaltverhalten genauer zu verstehen, haben sich die Chemiker Unterstützung bei den Physikern geholt. In Zusammenarbeit mit Professor Stefan Lochbrunner vom Institut für Physik der Universität Rostock wurde bestimmt, wie viele Photonen benötigt werden, um einen Schaltvorgang in einem einzelnen Molekül auszulösen. Wie sich herausstellte, ist das System vergleichsweise effizient. Etwa jedes vierte Photon führt zu einem erfolgreichen Schaltvorgang.

„Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse konnten wir uns eine Reaktion überlegen, in der wir das Schaltverhalten ausnutzen, um eben diese chemische Reaktion zu manipulieren. Dies funktioniert sogar umkehrbar, sodass die verschiedenen Reaktionsprodukte immer wieder ineinander umgewandelt werden können,“ so Schulz. Im Moment sei das reine Grundlagenforschung, könne aber in Zukunft für die Steuerung von katalytischen Prozessen, etwa bei der großtechnischen Herstellung von Kunststoffen oder Medikamenten, von Bedeutung sein.

Quelle: Universität Rostock


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