Rechts oder links herum gewirbelt?

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Eine spezielle Lösung mit zinkhaltigen Nanofasern wird optisch aktiv, sobald sie gerührt wird. Die Drehrichtung beim Rühren bestimmt dabei das Vorzeichen.

Dreht sich ein Wirbel in einer gerührten Flüssigkeit links herum oder rechts herum? Ein Zinkporphyrin-Dendrimer, ein verzweigtes Molekül mit einem zentralen Zinkatom, kann die Antwort liefern. Wie japanische Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, ändert sich die optische Aktivität einer Lösung dieser Substanz rasch, wenn der Drehsinn beim Rühren umgekehrt wird.

Wirbel in grauer Urzeit könnten dafür verantwortlich gewesen sein, dass die Symmetrie in der Natur durchbrochen wurde und am Ende ein „händiges“ Leben entstand, das klare Präferenzen für „linke“ oder „rechte“ molekulare Bausteine hegt, etwa bei Zuckern und Aminosäuren. Denn Wirbel in einem Fluid haben – genau wie Schrauben, Haarwirbel oder Schneckenhäuser – eine klare Drehrichtung: rechts oder links herum. Sie können sich also zueinander verhalten wie Bild und Spiegelbild oder wie die linke zur rechten Hand. So etwas nennt man „händig“ (chiral).

Wirbel sind sehr komplexe Gebilde, die viele Bereiche mit völlig verschiedenen Strömungsrichtungen umfassen. Wird beispielsweise eine Flüssigkeit in einer Küvette gerührt, entsteht eine dichte kreisförmige Drehströmung im Zentrum, während in den äußeren Bereichen des Wirbels ein lockerer spiraliger Fluss auftritt.

Das Forscherteam um Takuzo Aida und Akihiko Tsuda hat nun ein Zinkporphyrin-Dendrimer synthetisiert, mit dem diese einzelnen lokalen Fließbewegungen spektroskopisch sichtbar gemacht werden können. Die stark verzweigten zinkhaltigen Moleküle aggregieren in Lösung zu langen Nanofasern. Ist die Lösung ungerührt, ist sie optisch nicht aktiv. Sobald sie gerührt wird, wird sie optisch aktiv: Die gerührte Lösung dreht rechts- und linkszirkular polarisiertes Licht unterschiedlich stark. Diese Differenz (Zirkulardichroismus), für jede Wellenlänge gemessen, ergibt ein charakteristisches Spektrum. Ändert sich die Drehrichtung beim Rühren, kehrt sich das Vorzeichen des Zirkulardichroismus um. Das Ausmaß des Zirkulardichroismus nimmt zudem mit der Rührgeschwindigkeit zu.

Das Phänomen liegt nicht, wie zunächst angenommen, an einer Zwirbelung der einzelnen Nanofasern. Offensichtlich wird es verursacht durch eine spezielle makroskopische räumliche Ausrichtung der Fasern innerhalb der Messküvette: Ähnlich wie das Fähnchen im Wind richten sich die einzelnen Fasern mit der Strömung aus. Entlang des Lichtstrahls durch die Küvette erzeugen die verschiedenen Strömungen innerhalb des Wirbels eine helikale Anordnung der Fasern – eine Struktur, die an bestimmte flüssigkristalline Phasen erinnert. Wird die Rührrichtung umgekehrt, wechselt auch die helikale Struktur ihren Drehsinn.

Quelle: Angewandte Chemie

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Akihiko Tsuda et al., Spectroscopic Visualization of Vortex Flows Using Dye-Containing Nanofibers, Angewandte Chemie (Online-Veröffentlichung, 4. September 2007).
  http://dx.doi.org/10.1002/ange.200703083
• Arbeitsgruppe von Takuzo Aida, University of Tokyo (Japan):
  http://macro.chem.t.u-tokyo.ac.jp/Top.html