17.01.2020 - Technische Universität München

Muster mit außergewöhnlichen Eigenschaften

Komplexe chirale, poröse Nanostrukturen aus einfachen linearen Bausteinen

Die Nanowissenschaft kann mithilfe von Selbstorganisation kleinste molekulare Einheiten zu nanoskaligen Mustern ordnen. Ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) hat einen einfachen stabförmigen Baustein an beiden Enden mit Hydroxamsäure versehen. Die daraus entstehenden komplexen molekularen Netzwerke sind nicht nur schön anzuschauen, sie zeigen auch außergewöhnliche Materialeigenschaften.

Unsere genetische Information ist in zwei DNA-Strängen gespeichert, die sich durch einen Selbstorganisationsprozess zur bekannten wendeltreppenartigen Doppelhelix-Struktur zusammenfinden. Wasserstoffbrücken stabilisieren die beiden Stränge dabei und sorgen für die große Stabilität.

Inspiriert von solchen natürlichen „Reißverschlüssen“ suchen Forscher unterschiedlicher Disziplinen und Nationalitäten an der TU München nach neuen Verbindungen, um funktionelle Nanostrukturen zu konstruieren und die Grenzen künstlicher Strukturen zu erweitern.

Baustein für komplexe Nanostrukturen

In den Mittelpunkt ihrer in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlichten Untersuchungen stellten die Wissenschaftler einen neuen Baustein für zweidimensionale Architekturen: eine chemische Gruppe namens Hydroxamsäure-Gruppe.

Mitarbeiter des Lehrstuhls für Proteomik und Bioanalytik in Freising versahen ein stabförmiges Molekül an beiden Enden mit einer Hydroxamsäuregruppe. Auf atomar glatten Silber- und Goldoberflächen wurden damit dann am Lehrstuhl für Oberflächen- und Grenzflächenphysik in Garching molekulare Nanostrukturen erzeugt.

Ein Netzwerk aus Nanoporen

Eine Kombination aus Mikroskopie, Spektroskopie und dichtefunktionstheoretischen Untersuchungen zeigte, dass der molekulare Baustein seine Form in der Umgebung der Trägeroberfläche und seiner benachbarten Moleküle geringfügig verändert. Dies führt zu einer ungewöhnlichen Vielfalt supramolekularer Oberflächenstrukturen, gebildet aus zwei bis sechs Molekülen, die durch intermolekulare Wechselwirkungen zusammengehalten werden.

Nur eine Handvoll dieser Motive sind in 2-D-Kristallen organisiert. Darunter entstand ein beispielloses Netzwerk, dessen Muster an geschnittene Zitronen, Schneeflocken oder Rosetten erinnern. Es verfügt über drei verschiedene Poren. Die kleinsten wären in der Lage, ein einzelnes, kleines Gasmolekül wie Kohlenmonoxid aufzunehmen, die größten hätten Platz für ein kleines Protein wie Insulin.

"Art und Anzahl unterschiedlicher Poren, die durch diese kristallinen 2-D-Netzwerke hervorgebracht werden, sind ein Novum unter den durch molekulare Nanostrukturen erzielten Mosaikstrukturen“, sagt Anthoula Papageorgiou, Letztautorin der Publikation. „Dieses System bietet einzigartige Möglichkeiten für Bottom-up Nano-Templating, die wir weiter erforschen werden.“

Nanokäfige einmal anders

Wie unsere linke und rechte Hand kann die Form zweier spiegelbildlicher Käfigstrukturen nicht überlagert werden. Formen, die so aufgebaut sind, werden nach dem antiken griechischen χείρ (Hand) als "chiral" bezeichnet, aus. Viele Naturstoffe sind chiral und spielen eine entscheidende Rolle für die Biologie.

Unsere Geruchsrezeptoren reagieren beispielsweise sehr unterschiedlich auf die beiden Spiegelbilder des Limonen-Moleküls: Eines riecht nach Zitrone, das andere nach Kiefer. Diese sogenannte chirale Erkennung kann auch darüber entscheiden, ob ein Molekül ein Medikament oder giftig ist.

Die Innenwände der erhaltenen nanostrukturierten Käfige bieten Stellen, an die Gastmoleküle andocken können. In einigen der größeren Poren beobachteten die Forscher, dass sich drei gleiche Moleküle zu einem chiralen Objekt zusammensetzten. Wie eine Spieluhr-Ballerina ist dieses Objekt bei Raumtemperatur in Bewegung, was zu einem unscharfen Bild führt.

In zukünftigen Arbeiten möchte das Team solche Phänomene weiter erforschen, um sie für die chirale Erkennung und künstliche Nano-Maschinen zu nutzen.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Oberflächenstrukturen
  • Nanokäfige
  • Chiralität
Mehr über TU München
  • News

    Pionierarbeit: Prototyp eines neuen Brennstoffs

    Die Technische Universität München (TUM) und Framatome arbeiten gemeinsam an der Entwicklung eines neuen Brennstoffs für die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibniz (FRM II). Der Brennstoff soll aus niedrig angereichertem Uran-Molybdän (U-Mo) bestehen. Die ersten Prototypen sollen An ... mehr

    Superatome als Katalysatoren

    Edelmetalle wie Platin sind gute Katalysatoren, doch sie haben ihren Preis. Während die chemische Industrie deshalb versucht, immer kleinere Katalysatorpartikel herzustellen, verfolgt ein Team der Technischen Universität München (TUM) einen neuen Ansatz: Es baut Katalysatorpartikel zielgeri ... mehr

    Durchbruch für Photonik-Chips

    Seit 50 Jahren suchen Forscher in aller Welt nach einer Möglichkeit, Laser aus Silizium oder Germanium zu bauen. Einem Team der Technischen Universität Eindhoven (TU/e) und der Technischen Universität München (TUM) ist es nun gelungen, eine Legierung aus Germanium und Silizium zu entwickeln ... mehr

  • Videos

    Scientists pair up two stars from the world of chemistry

    Many scientists consider graphene to be a wonder material. Now, a team of researchers at the Technical University of Munich (TUM) has succeeded in linking graphene with another important chemical group, the porphyrins. These new hybrid structures could also be used in the field of molecular ... mehr

  • Stellenangebote

    Radiochemiker/-analytiker (m/w/d)

    Wir suchen zum nächstmöglichen Termin in Vollzeit (40,1 Std./Woche) für den Bereich Betriebschemie Verstärkung. Sie übernehmen nach entsprechender Einarbeitung und Anerkennung durch die zuständige Aufsichtsbehörde die Leitung des Teilbereichs Betriebschemie und tragen maßgeblich zur Einhal ... mehr

  • q&more Artikel

    Ein Geschmacks- und Aromaschub im Mund

    Der Ernährungstrend hin zu gesünderen Snacks ist ungebremst. Snacks aus gefriergetrockneten Früchten erfüllen die Erwartungen der Verbraucher an moderne, hochwertige Lebensmittel. Allerdings erfordert die Gefriertrocknung ganzer Früchte lange Trocknungszeiten ... mehr

    Ernährung, Darmflora und Lipidstoffwechsel in der Leber

    Die Natur bringt eine enorme Vielfalt an Lipidmolekülen hervor, die über unterschiedliche Stoffwechselwege synthetisiert werden. Die Fettsäuren sind Bausteine verschiedener Lipide, einschließlich Zellmembranlipiden wie die Phospholipide und Triacylglyceride, die auch die Hauptkomponenten de ... mehr

    Translation

    Die Struktur der chemischen und pharmazeutischen Großindustrie hat sich gewandelt. Traditionelle Zentralforschungsabteilungen, in denen grundlagennahe Wissenschaft ­betrieben wurde, sind ökonomischen Renditebetrachtungen zum Opfer gefallen. mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Ulrich Kulozik

    Ulrich Kulozik, Jahrgang 1955, studierte Lebensmitteltechnologie an der Technischen Universität München, wo er 1986 promovierte und sich 1991 für die Fächer Lebensmittel- und Bio-Prozesstechnik habilitierte. Er war bis 1999 u.a. als Department Manager Process & Product Development und Strat ... mehr

    Mine Ozcelik

    Mine Ozcelik, Jahrgang 1984, schloss an der Universität Ankara (Türkei) ihr Studium in Chemieingenieurwesen 2008 mit dem Bachelor und 2012 mit dem Master of Engineering ab. Ab September 2008 arbeitete sie in der Lebensmittelindustrie als F&E- und Laborleiterin in Ankara, wo sie die ersten F ... mehr

    Dr. Josef Ecker

    Josef Ecker, Jahrgang 1978, studierte Biologie an der Universität in Regensburg. Er promovierte 2007 und forschte danach als Postdoc am Uniklinikum in Regensburg am Institut für Klinische Chemie. Nach einer anschließenden mehrjährigen Tätigkeit in der Industrie im Bereich der Geschäftsführu ... mehr