Molekülfluss gegen den Strom

Wenn man ein Stück Zucker in eine Tasse Kaffee gibt, rührt man gewöhnlich, um schneller zu erreichen, was ohnehin passiert: Die aufgelösten Zucker­moleküle breiten sich gleichmäßig aus. Das bedeutet, sie wandern in Richtung fallender Zucker­konzen­tration, sozusagen „bergab“. Bei anderen gelösten Substanzen muss dies nicht immer der Fall sein. Genau einen solchen Fall – also von Molekül­strömen „bergauf“ in Richtung wachsender Konzen­tration – haben Physiker der Universität Leipzig mit einem neuen abbildenden Verfahren untersucht.

Bei ihren Untersuchungen betrachtete die Leipziger Forschergruppe unter der Leitung von Jörg Kärger Moleküle im Inneren nano­poröser Materialien. Dies sind Stoffe mit Porengrößen im Bereich der Größe der Moleküle. Das wird zum Beispiel bei ihrem Einsatz zur Stoff­veredelung ausgenutzt. Während man bei allen bisherigen Untersuchungen die Stoff­aufnahme solcher Materialien immer nur über die Gesamtmenge der eingedrungenen Moleküle untersuchen konnte, gelang den Leipziger Forschern nun die Messung lokaler Konzentrationen und deren Zeitabhängigkeit, etwa in Zeolite Socony Mobil 58, ZSM-58. Sie benutzten hierzu das von ihnen entwickelte Verfahren des „Micro-Imaging“, eine Form der Intereferenz-Mikroskopie (IFM).

„Die dabei erhältliche Information ist vergleichbar mit dem, was dem behan­delnden Arzt heute die Methode der Magnetresonanz-Tomographie liefert“, erläutert Jürgen Haase, der mit zum Forscherteam gehörte. „Auch hier geht es um die Verteilung von Molekülen. Allerdings sind die Anforderungen an die Zeit- und Ortsauflösung dabei nicht so groß, wie sie bei unseren Messungen im Inneren von Kristallen mit Durchmessern von wenigen Mikrometern gestellt werden mussten.“

„Mit der Beobachtung der ‚uphill-Diffusion’, also der Ausbreitung von Molekülen ‚bergauf’, in Richtung höherer Konzentration, konnten wir erstmalig einem wichtigen Mecha­nismus auf die Spur kommen“, sagt Jörg Kärger. „Die sich im Material schneller ausbrei­tenden Moleküle können also vorüber­gehend an gewissen Orten höher konzentriert auftreten und damit andere Wirkungen entfalten, als wenn sich ein Gleich­gewicht eingestellt hat. Dieser Effekt des ‚over­shooting’, also des Über-das-Ziel-Hinausschießens, könnte viele Anwen­dungen haben, unter anderem in der Medizin. Das ist ein spannendes Thema aktueller Forschung.“

UL / OD