Ausgezeichnete Metrologie

Eigentlich möchte sich Helium gar nicht mit Artgenossen verbinden. Hin und wieder tut es das dennoch, jedoch mit verschwindend geringen Bindungs­energien. Diese haben Wissenschaftler der Goethe-Universität in Frankfurt erstmals messen können. Für diese messtechnische Sensation werden sie ebenso mit dem diesjährigen Helmholtz-Preis geehrt wie ihre Forscher­kollegen in Cambridge. Letztere haben die in der DNA-Analytik bewährte Einzel­molekül­messung mit Nanoporen revolutionär weiter­entwickelt und damit Bedingungen geschaffen, um theoretisch beliebig viele verschiedene Eiweiß­moleküle innerhalb derselben Messung zu detektieren. Der Helmholtz-Preis ist in den Kategorien „Grundlagen“ und „Anwendungen“ mit jeweils 20.000 Euro dotiert und gilt als eine der international bedeutendsten Aus­zeichnungen in der Welt der Metrologie, der Wissenschaft vom genauen Messen.

„Alle bisherigen Helmholtz-Preis­träger haben mit ihren Arbeiten die Kunst des Messens nachhaltig voran­gebracht und viele zählen heute zu den renommiertesten Forschern in der Metrologie“, sagt Joachim Ullrich, Präsident der Physikalisch-Technischen Bundes­anstalt (PTB) und Vorsitzer des Helmholtz-Fonds. „Wir sind sicher, dass es auch diesmal so sein wird.“

Die Entschlüsselung des Erbgutes ist eines der spektakulärsten Forschungs­gebiete der biologischen Wissenschaft. Ein etabliertes Verfahren, Proteine ohne vorherige chemische Veränderung zu identifizieren, verwendet sogenannte Nanoporen. Das sind winzige Kanäle in einer Membran mit jeweils einem Volumen von etwa 10^-24 m³. Eine bahn­brechende Neuerung auf dem Gebiet der Molekül­messung mit Nanoporen ist den Forschern um Nicholas A. W. Bell und Ulrich Keyser vom Cavendish Laboratory der Universität Cambridge gelungen. Sie kombinierten das klassische Verfahren mit einer neuartigen Nachweis­methode. Dazu stellten die Wissenschaftler eine Bibliothek aus maß­geschneiderten, gefalteten DNA-Molekülen (DNA-Origami) her, die jeweils über einen molekularen Barcode genau ein Protein an sich binden können. Diese kann man dann mit 94-prozentiger Sicherheit über elektrische Mess­methoden identifizieren. Neben der sehr hohen Selektivität können mit Hilfe des neuen Verfahrens erstmals bis zu vier verschiedene Proteine simultan erkannt werden.

Die Herstellung der Nanoporen für dieses neue Verfahren ist wesentlich einfacher als für klassische Verfahren, da sich die Nanoporen universell einsetzen lassen und nicht mehr für jedes zu identifizierende Protein angepasst werden müssen. Die Detektions­methode funktioniert rein elektrisch und ist daher ideal für eine Miniatur­isierung geeignet. Denkbar ist der Einsatz in Lab-on-a-chip-Systemen oder als tragbare Sensoren, quasi als Protein-Analyse für die Hosentasche.

Helium ist ein Edelgas und sollte nach Meinung der Standard­lehr­bücher der Chemie keine Bindung mit anderen Atomen eingehen. Dass dies manchmal trotzdem geschieht, ist schon länger bekannt. Nun ist es der Forscher­gruppe um Reinhard Dörner vom Institut für Kern­physik an der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main weltweit erstmals gelungen, zwei­atomige Helium-Dimere (He₂) und drei­atomige Helium-Trimere (He₃) zu erzeugen und deren Bindungs­energien präzise zu messen.

Die Bindungen zwischen den beiden Helium­atomen sind in He2 nur ein Zehnmillionstel so stark wie in typischen Molekülen wie Wasser oder Wasserstoff. Die Bindungs­energie für das Helium-Dimer beträgt nach den Messungen der Preisträger 151,9 ± 13,3 neV, die für das Helium-Trimer, ein Komplex aus drei gebunden Helium Atomen, 236 ± 23 neV. Die Frankfurter Forscher bestätigten weiterhin eine ungewöhnliche Dreier­struktur (Efimov-Zustand) des He₃-Moleküls, die bereits vor fast vierzig Jahren von dem russischen Forscher Vitaly Efimov theoretisch vorhergesagt wurde. Für die Messung der extrem geringen Bindungs­energien näherten sich die Forscher mit einem Trick, indem sie die Moleküle gezielt zerstören und aus den Fragmenten Rück­schlüsse auf die Bindungs­energie ziehen.

Die damit experimentell bestätigten Werte sind für die Metrologie bei tiefen Temperaturen von großer Bedeutung. Die Real­gas­eigenschaften, wie die thermische Leit­fähigkeit, die Viskosität oder die di­elektrischen Eigenschaften von Helium bei Temperaturen unterhalb weniger Kelvin, lassen sich nun wesentlich genauer theoretisch berechnen und mit präzisen Messungen vergleichen.

PTB / DE