Einzigartige Umgebungen für chemische Reaktionen

Wie zwei verschiedene Moleküle mit Hilfe von Nanoreaktoren mit­ein­ander reagieren, konnte jetzt erst­mal ein Forscher­team des Helm­holtz-Zentrums Berlin mathe­matisch beschreiben. Nano­reak­toren sind winzige Systeme, die chemische Reak­tionen beschleu­nigen, also wie ein Kata­ly­sator wirken. Die teil­weise über­raschenden Ein­sichten ermög­lichen Vor­her­sagen, wie sich Reak­tionen besser steuern lassen. Das Modell ist auf viele Forschungs­fragen anwend­bar, insbe­son­dere auch auf Pro­zesse in Energie­materi­alien.

In biologischen Organismen übernehmen oft Proteine oder Enzyme die Rolle von Nano­reak­toren. Doch im Labor lassen sich auch künst­liche Nano­reak­toren her­stellen. Eine wichtige Klasse dieser Nano­reak­toren ist wie ein Ei auf­ge­baut: Ein kata­ly­tisch aktives metal­lisches Nano­partikel sitzt wie das Eigelb im Zentrum, um­hüllt von einer Schale aus ver­netzten Polymer­mole­külen. Solche Nano­reak­toren schaffen eine einzig­artige Umge­bung für die gewünschten Reak­tionen.

„Wir haben erstmals mathematisch beschrieben, wie zwei Moleküle in solchen Nano­reak­toren trans­portiert werden, um mit­ein­ander zu reagieren. Dabei konnten wir auch erkennen, welche Faktoren die Reak­tions­rate dabei am stärkten beein­flussen“, sagt Rafael Roa vom HZB. Eine über­raschende Ein­sicht war, dass die Durch­lässig­keit der Schalen noch viel wichtiger ist, als bis­lang vermutet. Denn aus dem Modell ergibt sich ganz klar: Über die Reak­tions­rate ent­scheidet nicht die Konzen­tra­tion der Ausgangs­stoffe in der Lösung, sondern vor allem, wie gut diese ganz indi­vi­duell durch die Schale ins Innere des Nano­reaktors diffun­dieren. „Das ist ein sehr interes­santes Ergeb­nis, denn inzwischen lässt sich bei vielen künst­lichen Nano­reak­toren die Durch­lässig­keit hervor­ragend kontrol­lieren, sogar Schalten, zum Beispiel durch Verän­de­rungen der Tempe­ratur oder anderer Para­meter“, betont Won Kyu Kim vom HZB.

Die neue Beschreibung ist ein großer Fortschritt im Vergleich zum etab­lierten Modell aus den 1940er Jahren, das nur die Reaktion von einer einzigen Molekül­sorte im Nano­reaktor beschreibt. „Unser Modell schließt sogar Prozesse wie die Akti­vie­rung von Molekülen im Nano­reaktor mit Sonnen­licht ein. Damit können wir auch Fragen der Energie­material-Forschung bear­beiten“, fasst Gruppen­leiter Joe Dzubiella vom HZB zusammen. Die Theorie­gruppe um Dzubiella will nun mit der Chemikerin Yan Lu zusammen­arbeiten, die als Expertin für synthe­tische Nano­reak­toren gilt. „Wir verstehen jetzt sehr viel besser, was eigent­lich geschieht. Dadurch können wir Voraus­sagen machen, wie sich die Prozesse in Nano­reak­toren steuern lassen, zum Beispiel um Reak­tionen nach Bedarf zu starten oder zu stoppen“.

HZB / RK