Dossier: Weiche Materie

inige Bakterien wie E. coli oder T. Majus erreichen Geschwindigkeiten von 10 oder sogar 100 Körperlängen pro Sekunde. Das schaffen selbst die schnellsten Motorboote kaum. Menschliche Schwimmer bewegen sich bestenfalls mit etwa 1,5 Körperlängen pro Sekunde fort. Doch wie schwimmen Bakterien überhaupt? Die Art, wie Menschen kraulen oder Fische und Muscheln schwimmen, setzt stets Trägheits­effekte voraus. Auf der Größenskala von Bakterien – also wenigen Mikrometern – erzeugt dies keinen Vortrieb. Hier dominieren viskose Kräfte, die mit der linearen Ausdehnung l der Teilchen skalieren. Sie sind um viele Größenordnungen stärker als Trägheitskräfte, die mit der Masse bzw. mit l³ skalieren. Die Flüssigkeit erscheint hierdurch für Bakterien sehr dickflüssig, vergleichbar damit, als müsste ein Mensch durch Honig schwimmen. Ohne Trägheit findet Bewegung nur statt, solange Kräfte wirken. 
In der Konsequenz würde sich eine Muschel nach Schrumpfung auf die Mikroskala nicht mehr fortbewegen. Sie schwimmt, indem sie sich langsam öffnet und schnell wieder schließt, wobei sie Trägkeitseffekte in der Flüssigkeit erzeugt (Abb. 1a). Eine Mikro­muschel würde, abgesehen von Fluktuationen, nur um einen festen Raumpunkt oszillieren, weil sich die wirkenden Kräfte beim Öffnen und Schließen reziprok verhalten. Um bei niedriger Reynolds-Zahl, dem Verhältnis von trägen zu viskosen Kräften, zu schwimmen, braucht es nicht-reziproke Bewegungen („Scallop Theorem“) [1]. (...)

Wir alle kennen die Eigenschaften einer Flüssigkeit aus dem Alltag: Beim Umrühren beginnt sie zu strömen und erzeugt ein meist recht komplexes Bewegungsmuster. Dieses lässt sich mithilfe der Reynolds-Zahl charakterisieren, welche das Verhältnis von Geschwindigkeit und Längenskala der Strömung zur Viskosität angibt. Bei kleinen Reynolds-Zahlen ist die Strömung meist laminar, bei hohen komplex und turbulent. Turbulente Strömungen treten beispielsweise in der Atmosphäre oder in den Ozeanen auf, wo sie maßgeblich dazu beitragen, Wärme zu verteilen und mit der Strömung transportierte Stoffe zu mischen.

In den vergangenen Jahrzehnten sind aber auch auf der Mikro­skala komplexe Strömungsmuster entdeckt worden. So transportieren Strömungen in Zellen bio­chemische Stoffe. Zudem zeigen Suspensionen von Mikro­organismen – z. B. Bakterien – Strömungsmuster, die an Turbulenz erinnern. Das überrascht zunächst, da die Reynolds-Zahl auf der Mikroskala äußerst klein ist. Bei genauerem Hinsehen handelt es sich jedoch bei den genannten Beispielen nicht um eine Flüssigkeit im klassischen Sinne, sondern um ein aktives Fluid. Denn viele aktive, mikroskopisch kleine Makromoleküle oder Lebewesen „verrühren“ die Flüssigkeit lokal. Die vielen wechselwirkenden Teilchen eines aktiven Fluids können die chemisch oder biologisch zur Verfügung gestellte Ener­gie zur eigenständigen Fortbewegung nutzen. Makros­kopische Strömungen treten auf, wenn viele aktive Teilchen sich durch kollektive Wechselwirkungen zumindest lokal in dieselbe Lage ausrichten. (...)

Im Englischen sind „Bologneser Glastränen“ auch heute noch als Prince Rupert‘s Drops bekannt: Ruprecht von der Pfalz hatte die Glastropfen am Hof des englischen Königs Karls II. im 17. Jahrhundert vorgeführt (Abb. 1). Der laute Knall, mit dem sich der Tropfen nach einem schnellen Fingergriff in Staub auflöste, hat wohl auch den anwesenden Robert Hooke fasziniert: Er versuchte, das Verhalten der Glastränen zu erklären, die beim schnellen Abschrecken heißer Glaströpfchen in Öl oder Wasser entstehen. Ohne die Erkenntnisse der Elastizitätstheorie – die Hooke später inklusive des bekannten Hookeschen Gesetzes entwickeln sollte – oder das Wissen um die Struktur von Gläsern und die thermischen Effekte beim Abschrecken erkannte der Zeitgenosse und Konkurrent Sir Isaac Newtons, dass es sich bei dem Tropfen um ein intern zutiefst verspanntes Material handeln musste. Auch wenn die „Explosion“ des Tropfens bis heute nicht im Detail verstanden ist [1], wissen wir inzwischen um die fundamentale Bedeutung mechanischer Frustration und die damit einhergehenden Verspannungen in vielen Materialien und Systemen.
Physikalisch gesehen stellen Verspannungen interne Kräfte dar. Sie treten auf, sobald Materialeigenschaften mit Geometrie oder Topologie inkompatibel sind. Typischerweise entstehen sie während des Aufbaus eines Objekts (Infokasten Verspannte Materialien und Frustration). Etwas abstrakter kann man sich auch vorstellen, dass ein Körper mit nicht-euklidischer innerer Geometrie in den flachen Euklidischen Raum gezwängt wird [2]: Der Körper muss sich bestmöglich mit der flachen Metrik des umgebenden Raumes arrangieren. Die damit verbundene Frustration führt zu vielen interessanten Phänomenen. In einigen Fällen hält das Mate­rial der Frustration nicht stand und löst sich bei geringer Perturbation in Staub auf, wie die Bologneser Glastränen. Verspannungen können aber auch sehr nützlich sein. Klassische Beispiele sind der Spann­beton, bei dem eine Vorspannung des Stahlgerüsts die Bildung von Rissen und Deformationen des Betons stark reduziert, und das für Displays verwendete Gorilla-Glas, an dessen Oberfläche ein Ionenaustausch in der Schmelzphase eine Spannung erzeugt, die ebenfalls der Rissbildung entgegenwirkt. Auch in biologischen Systemen entstehen durch Wachstumsprozesse Strukturen, die intern verspannt sind. Diese Verspannungen sind für viele Lebensprozesse wichtig [3]...

Die Idee hinter dieser Methode besteht darin, Mole­küle durch die Änderung eines Ionenstroms durch ein kleines, wasser­gefülltes Loch – die Nano­pore – zu analysieren (Abb.1). Diese Idee geht auf Wallace H. Coulters fast 70 Jahre altes Patent zurück, das beschreibt, wie sich mikrometerkleine Partikel mithilfe von Strommessungen durch ein Loch in einer Glaskapillare untersuchen lassen [1]. Heutzutage ist die Detektion von Zellen und Bakterien mithilfe eines „Coulter-Counters“ Alltag in der Medizin. Während die Poren dabei mikrometergroße Durchmesser besitzen, beschäftigt sich die aktuelle Forschung in Physik, Chemie und Materialwissen­schaften mit so genannten Nanoporen für die Bio­sensorik, DNS- und RNS-Sequenzierung und Protein­analytik. Vor allem die DNS-Sequenzierung steht durch die mögliche Miniaturisierung dank der Nanoporen vor einer Revolution. (...)

Festkörper aus Standardpolymeren wie Poly­ethylen, Polypropylen oder Polyethylentereph­thalat sind im täglichen Leben überall anzutreffen. Dennoch mag man sich fragen, ob sie sich wie metallische oder keramische Materialien durch einen Kristallisationsprozess verfestigen und ob aus Ketten­molekülen überhaupt ein Kristall entstehen kann. Ein wenig Nachdenken macht aber schnell klar, dass dies grundsätzlich möglich ist. Im Zustand mit der niedrigsten Konformationsenergie sind Polymerketten immer gestreckt, mit einer periodischen Struktur in Ausdehnungsrichtung. Fügt man derartige Ketten, ­parallel zueinander gestellt, in einer seitlich regel­mäßigen Packung zusammen, entsteht eine drei­dimensional periodische Struktur, also ein Polymerkristall. Seine Besonderheit ist die hohe Anisotropie in der Stärke der Bindungskräfte, mit unauflöslichen kovalenten Bindungen in Kettenrichtung und schwachen Van-der-Waals-Kräften in den beiden seitlichen Richtungen.

Tatsächlich findet man einen solchen makroskopischen Kristall aber nicht. Dies liegt an der Struktur der Schmelze: Im flüssigen Zustand sind die Polymerketten nicht mehr gestreckt, sondern auf vielfältige Art verknäuelt, sie durchdringen einander und bilden dabei viele Verschlaufungen aus. Von einem solchen Ausgangszustand her ist der kristalline Zustand einfach nicht zu erreichen, denn es würde eine viel zu lange Zeit erfordern, die Ketten vollständig zu entschlaufen und zu trennen. Kühlt man eine Polymerschmelze in den Kristallisationsbereich ab, so kristallisiert sie deshalb nicht vollständig, sondern geht in einen „semikristallinen“ Zustand über: Dabei sind schichtförmige Kristallite durch ­Bereiche getrennt, welche flüssig bleiben und die nicht aufgelösten Verschlaufungen enthalten. Die elektronenmikroskopische Aufnahme aus den 1970er-Jahren zeigt eine Kristallschichtdicke im Nanometer-Bereich an (Abb. 1). Die viel längeren Ketten sind durch wiederholte Rückfaltungen in den Kristall eingebettet (Abb. 2).
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Würde man die DNS aller Zellen eines menschlichen Körpers aneinanderheften, ergäbe dies ein Polymer von so gewaltiger Länge, dass es zirka hundert Mal von der Erde zur Sonne und zurück reicht. Selbst pro Zelle beträgt die Länge aller 46 DNS-Moleküle zusammengenommen beeindruckende zwei Meter. Die gesamte DNS muss jedoch in den nur wenige Mikrometer großen Zellkern passen. Um sie so dicht zu packen, muss es einen sehr effizienten Mechanismus geben. Ausgerechnet die hohe elektrische Ladung der DNS gibt Hinweise auf einen solchen Mechanismus, denn multivalente Gegenionen können eine Anziehung der Moleküle mit sich selbst erzeugen. Dieses Prinzip ist nachgewiesener Maßen in Samenzellen und Viren realisiert, wo das genetische Material so kompakt wie möglich transportiert werden muss. Für den Zellkern geht es jedoch nicht nur ums Packen, sondern auch darum, welche Gene einer DNS auslesbar sind und welche nicht. Gene enthalten Baupläne für Proteine. Da die Zusammenstellung der Proteine den Zelltyp festlegt – von der noch nicht differenzierten Stammzelle bis zur hoch spezialisierten Nervenzelle – und da alle Zellen die gleiche genetische Information in sich tragen, kommt dem Packen und Entpacken der DNS entscheidende Bedeutung zu. ...