Einblicke voll Energie

Einzigartige Einblicke erhielten ChemikerInnen der Karl-Franzens-Universität Graz in Zusammenarbeit mit KollegInnen der Universität Basel: Es gelang ihnen, die mechanische Bewegung einzelner Moleküle zu untersuchen. Diese Experimente geben Aufschluss über fundamentale chemische Eigenschaften von einzelnen Polymeren sowie der Wechselwirkung mit ihrer Umgebung. Die Resultate werden heute, am 3. März 2014, in der renommierten Fachzeitschrift PNAS publiziert. Die neuen Erkenntnisse können in Zukunft auf verschiedene chemische und biologische Systeme angewendet werden.
„Wir lösten mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops eine einzelne Polymerkette von einer Goldoberfläche ab. Dabei beobachteten wir verschiedene Kräfte, über die wir die Bindungsenergien des Moleküls mit der Oberfläche sowie die mechanischen Eigenschaften der Kette bestimmen konnten“, beschreibt Univ.-Prof. Dr. Leonhard Grill das Experiment. Der Chemiker leitet die Arbeitsgruppe „Single-Molecule Chemistry“ der Universität Graz. Mit seinem Team entwickelte er eigene Techniken, um solche schwierigen Experimente überhaupt durchführen zu können: Zuerst wurden Polymerketten auf einer Goldoberfläche kontrolliert zusammengebaut und anschließend mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops von dieser Oberfläche weggezogen. Dabei besteht die Herausforderung darin, tatsächlich nur ein einzelnes Molekül der mechanischen Überprüfung auszusetzen. Die Beobachtungen bestätigten exakt, was ein theoretisches Modell vorausgesagt hat. „Interessanterweise stellten wir auch fest, dass sich die molekularen Drähte praktisch reibungsfrei parallel zur Oberfläche bewegen, was nicht immer der Fall ist und mit ihren ganz speziellen Eigenschaften zu tun hat“, ergänzt Grill.
Die Entdeckung kann in Zukunft auf verschiedene chemische Systeme angewendet werden. „Die Idee, einzelne molekulare Ketten zu ziehen und damit mechanischen Kräften auszusetzen, ist für biologische Moleküle von großem Interesse und kann zum Beispiel wichtige Hinweise auf das Falten beziehungsweise Entfalten von Proteinen geben“, erläutert der Wissenschafter. Eine Oberfläche kann dabei als Katalysator dienen, also Reaktionen beeinflussen. An Stufen und Kanten ändern sich die Bedingungen im Vergleich zu ebenen Kristallflächen von Metallen, und es werden andere Energien benötigt, um die Prozesse in Gang zu setzen. „Katalytische Reaktionen sind essenziell für chemische Vorgänge. In künftigen Experimenten wird es interessant sein zu sehen, wie Katalysatoren oder Nanopartikel das mechanische  Verhalten von Molekülen beeinflussen“, so Grill.

Publikation:
Quantifying the atomic-level mechanics of single long physisorbed molecular chains
Shigeki Kawai, Matthias Koch, Enrico Gnecco, Ali Sadeghia, Rémy Pawlak, Thilo Glatzel, Jutta Schwarz, Stefan Goedecker, Stefan Hecht, Alexis Baratoff, Leonhard Grill and Ernst Meyer
http://www.pnas.org/content/early/2014/02/26/1319938111