Dynamik von Kettenmolekülen
Ein Durchbruch in der Nanotechnologie ist Prof. Dr. Friedrich Kremer und seinem Doktoranden Martin Tress an der Universität Leipzig gelungen: Weltweit erstmalig konnte die Dynamik von einzelnen, in einem Nanotröpfchen kondensierten Kettenmolekülen (Polymeren) gemessen werden. Darüber berichtet das Wissenschaftsmagazin "Science".
Vereinzelte Polymerketten als Nanotröpfchen auf einer Silizium-Oberfläche (links). Der Ausschnitt wurde mit einem Rasterkraftmikroskop aufgenommen und ist mit 1 µm Kantenlänge etwa hundertmal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares. Die Längenskala der fluktuierenden Kettensegmente von zirka 0,5 Nanometern ist wesentlich kleiner als die Ausdehnung der Polymerkette als Ganzes (Schema rechts).
Martin Tress
Die Moleküle werden dazu auf einem Siliziumsubstrat in großer Verdünnung abgelegt, so dass sich Nanotröpfchen bilden können, die nur noch aus einzelnen Polymerketten bestehen. Um deren Dynamik messen zu können, verwendeten die Forscher die Methode der Breitbandigen Dielektrischen Spektroskopie - einem Gebiet, auf dem die Arbeitsgruppe von Prof. Kremer führend ist. Die Probe wird dabei einem elektrischen Feld ausgesetzt, das zwischen Elektroden im Abstand von nur 35 Nanometern (35 Millionstel Millimeter) angelegt wird. Diese Elektrodenanordnungen wurden speziell für diese Experimente entwickelt und im Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle von Dr. Manfred Reiche hergestellt.
"Das zentrale Ergebnis der Untersuchung der Dynamik einzelner Polymere ist überraschend einfach: Es zeigt sich, dass die molekulare Dynamik in isolierten Molekülen im Wesentlichen mit der in einer makroskopischen Polymerschmelze übereinstimmt", erläutert Prof. Kremer, der am Institut für Experimentelle Physik I der Fakultät für Physik und Geowissenschaften die Abteilung Molekülphysik leitet. Die Forscher an der Universität Leipzig haben für dieses Ergebnis eine einfache Erklärung: Die Skala, auf welcher die molekularen Fluktuationen stattfinden, entspricht ungefähr der Länge von nur zwei bis drei Kettensegmenten, das heißt zirka 0,5 Nanometer. Sie ist damit wesentlich kleiner als die Ausdehnung der Polymere, die mit einem Rasterkraftmikroskop leicht gemessen werden kann und ungefähr 20 bis 30 Nanometer ausmacht. Die fluktuierenden Kettensegmente werden somit von der Separation der Polymere kaum beeinflusst.
"Die Arbeiten haben nicht nur weitreichende Konsequenzen für die akademische Forschung, in der die Frage nach der molekularen Dynamik auf einer Nanometerskala heftig diskutiert wird. Sie könnten auch vielfältige Anwendungen in der Nanobiotechnologie und Sensorik finden", wie Prof. Kremer erläutert.
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