Sortenreine Nanoröhrchen

US-Forscher entwickeln Methode, um mit Erbgutsträngen bis zu zwölf verschiedene Röhrchen-Spezies mit hoher Effizienz voneinander zu trennen. 

Wer einwandige Nanoröhrchen aus Kohlenstoff züchtet, erhält immer ein Gemisch aus zahlreichen leitenden und halbleitenden Varianten. Um das volle Potenzial dieser vielseitigen Partikel beispielsweise für neue Nanotransistoren nutzen zu können, müssen die verschiedenen Röhrchentypen effektiv voneinander getrennt werden. Künstliche Erbgutstränge mit ausgewählten Basenfolgen können mit einer neuen von amerikanischen Nanoforschern entwickelten Methode genau dieses Kunststück vollbringen.

"Einwandige Nanoröhrchen aus Kohlenstoff haben zwar die gleiche zylindrische Struktur aber unterschiedliche Chiralitäten", schreiben Xiaomin Tu vom DuPont Forschungszentrum in Wilmington und seine Kollegen von der Lehigh University in Bethlehem, USA. Von diesen zahlreich möglichen Symmetrie, in denen sich die Kohlenstoffatome im Röhrchen anordnen können, hängen wesentlich die elektronischen Eigenschaften der winzigen Hohlkörper ab. Mit einer Auswahl von 20 DNA-Strängen, die sich in der Abfolge der Basen Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C) unterscheiden, konnten die Forscher nun Röhrchen mit zwölf verschiedenen Chiralitäten voneinander trennen.

Abb.: DNA-Stränge hüllen sich selektiv um Nanoröhrchen. Je nach Wahl der Basenfolge lassen sich Nanoröhrchen mit unterschiedlichen Chiralitäten sortieren. (Bild: Xiaomin Tu)

Für ihre Sortierversuche verteilten Tu und Kollegen ein Gemisch aus Nanoröhrchen in einer Kochsalzlösung. Zu dieser gaben sie kurze DNA-Stränge mit regelmäßigen Abfolgen der vier Basen zu, beispielsweise ATATATA... oder TCGTCGTCG... Diese DNA-Stränge dockten bevorzugt an Röhrchentypen unterschiedlicher Chiralität an. Besonders bei halbleitenden Spezies lief dieser Prozess sehr effektiv ab. Fast vollständig vom jeweiligen DNA-Strang umhüllt wiesen diese Konglomerate unterschiedliche ionische Ladungen auf. Dadurch lassen sie sich über ein Chromatographieverfahren problemlos voneinander trennen.

Spektroskopische Analysen der so aussortieren DNA-Röhrchen-Fraktionen zeigten eine hohe Reinheit der jeweiligen Röhrchentypen von nahezu 99 Prozent. Damit erreicht dieses Verfahren eine bessere Selektion als andere in der Entwicklung befindlichen Methoden. Die Ausbeute jedoch ist zu gering, um sortenreine Röhrchenmengen für großtechnische Anwendungen zu gewinnen. Aber für weitere Versuche im Labormaßstab wäre dieser DNA-Sortierer geeignet.

"Dieser Ansatz von Tu und Kollegen hat Vorteile für eine schnelle Separation geringer Röhrchenmengen und wird von großem Interesse für Forschergruppen auf der ganzen Welt sein", schreibt Mark C. Hersam vom Departments of Materials Science and Engineering, der Northwestern University in einem begleitenden Kommentar. Wichtigstes Ziel der Nanoröhrchen-Forschung bleibt jedoch, direkt bei der Herstellung der Nanopartikel eine möglichst große Sortenreinheit zu erhalten und aufwendige Selektionsprozesse damit überflüssig zu machen.

Jan Oliver Löfken

• Kommentar: Mark C. Hersam, Nanotubes sorted using DNA. Nature 460, 186 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1038/460186a

• Dupont Experimental Station, Wilmington:
  http://www2.dupont.com/Science/en_US/rd/index.html

• Lehigh University:
  http://www3.lehigh.edu/default.asp

Weiterführende Literatur:

• M. C. Hersam: Progress towards monodisperse single-walled carbon nanotubes. Nature Nanotechnol. 3, 387–394 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2008.135 Review

• X. Peng, et al.: Optically active single-walled carbon nanotubes. Nature Nanotechnol. 2, 361–365 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2007.142 Letter
   
• A. A. Green, M. C. Duch,  M. C. Hersam: Isolation of single-walled carbon nanotube enantiomers by density differentiation. Nano Res. 2, 69–77 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1007/s12274-009-9006-y

KP