29.10.2018

Molekülsortierung am Gitter

Trennung von Konformeren durch Materiewellen-Interferenz.

Eine neue Methode, gleichartige Moleküle mit räumlich unter­schiedlich angeordneten Atomen, d.h. Konformere, gezielt zu isolieren, haben jetzt Wissen­schaftler der Universität Duisburg-Essen (UDE) und Wien gefunden. Ihnen gelang der Nach­weis, dass sich Konformere mithilfe eines Licht­strahls von­einander trennen lassen, weil komplexe Moleküle eine Wellen­natur besitzen. „Damit ist uns ein echter Durchbruch gelungen. Er eröffnet ganz neue Zugänge für die Erforschung von Bio­molekülen sowie für die Atmosphären­chemie, Astro­physik und Katalyse­forschung“, freut sich der UDE-Quanten­physiker Klaus Horn­berger.

Abb.: Durch Quanten­interferenz in Kombination mit einer Schlitz­maske lassen sich Moleküle entsprechend ihrer Geometrie trennen. (Bild: C. Brand, UDE / U. Wien)

Bei fast allen größeren Molekülen können die Atome – trotz gleicher Bindungs­verhältnisse – räum­lich unter­schiedlich angeordnet sein. Dies wirkt sich oft darauf aus, wie schnell sie chemisch reagieren und mit externen Feldern wechsel­wirken. „Das Aus­sortieren einer bestimmten Struktur, eines sogenannten Konformers, ist aller­dings sehr schwierig“, so Hornberger, „weil sich die molekularen Geometrien so ähnlich sind.“

„Flexible Moleküle ähneln in gewisser Weise einem Zauber­würfel. Der Würfel bleibt identisch, aber das Muster, das man sieht, hängt stark davon ab, wie man die einzelnen Komponenten zueinander verdreht“, sagt Christian Brand von der Uni Wien und Erst­autor der Studie. Etablierte Methoden zur Konformeren­auswahl nutzen Unter­schiede in der Verteilung der Elektronen inner­halb des Moleküls. Für Moleküle mit vielen verschiedenen Konformeren taugt dies allerdings nicht, da sich ihre Eigen­schaften oftmals fast nicht unter­scheiden.

Die Idee der neuen Methode ist, dass jedes Konformer leicht unter­schiedlich auf Licht einer bestimmten Wellen­länge reagiert. Während ein Konformer Licht einer bestimmten Wellen­länge absorbiert, spüren alle anderen lediglich eine anziehende Kraft. Stimmt man diese Wechsel­wirkungen für alle Konformere auf­einander ab, ist es möglich, die verschiedenen Strukturen durch Beugung an einem Licht­gitter von­einander zu trennen. „Die quanten­mechanische Wellen­natur der Moleküle erlaubt uns sehr effektiv einzelne molekulare Strukturen anzu­sprechen und jedes vorhandene Konformer zu isolieren“, sagt Benjamin Stickler von der UDE.

UDE / DE

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