14.07.2020 - University of Vermont

Erfindung: "Nanokäfig"-Werkzeug entwirrt (molekulare) Spaghetti

"Nanokäfig" - ein Werkzeug, das molekülgroße Knäuel von Polymeren fangen und ausrichten kann

Ein Team von Wissenschaftlern an der Universität von Vermont hat ein neues Werkzeug - sie nennen es "Nanokäfig" - erfunden, das molekülgroße Knäuel von Polymeren einfangen und ausrichten kann.

Sobald ein knorriger Polymerstrang - ob aus Protein oder Kunststoff - aufgezogen wird, "dann können wir genau die Polymere aktivieren, die wir wollen, und den Rest in Ruhe lassen", sagt UVM-Chemiker Severin Schneebeli, der die neue Forschung leitete. Dieses Werkzeug - das ein bisschen so funktioniert wie das Ziehen eines Fadenbündels durch ein Nadelöhr - "eröffnet einen neuen Weg zur Herstellung maßgeschneiderter Materialien, die noch nie zuvor hergestellt wurden", sagt er. Dazu könnten nanoskalige Pillenbeschichtungen gehören, die sich um einzelne Moleküle der Medizin wickeln, oder neue Industrieprodukte, die aus präzise angeordneten Kunststoffsträngen im atomaren Maßstab zusammengesetzt werden.

Das Werkzeug, das aus Molekülrändern mit speziellen "formleitenden" Wasserstoffbrückenbindungen besteht - und tausendmal kleiner als ein Stecknadelkopf - kann kürzere Stränge eines Polymers auswählen und längere zurücklassen, was zeigt, dass der Nanokäfig verwendet werden kann, um selektiv bestimmte Größen von Molekülen in einer Materialsuppe zu finden. "Das ist selektiv und das hat es noch nie gegeben", sagt Schneebeli. Diese Forschung ist das erste Mal, dass die Wissenschaft in der Lage war, Polymerketten unterschiedlicher Grösse in einem Labor zu unterscheiden und zu aktivieren - was der Präzisionschemie neue Möglichkeiten eröffnet.

Die neue Forschung wurde in der Juni-Ausgabe der Zeitschrift Chem.

NATURKENNTNISSE

Die Fähigkeiten des Nanokäfigs sind neu für die Wissenschaft - aber nicht für die Natur. Seit Milliarden von Jahren hat das Leben Wege entwickelt, um genau das Stückchen eines Proteins oder eines anderen biologischen Knotens auszuwählen, das es lösen und einschalten will - was Wissenschaftler "funktionalisieren" nennen. Aber den Menschen ist es schwer gefallen, dasselbe zu tun. "Trotz vieler Beispiele in der Biologie", schreiben die UVM-Wissenschaftler, "ist eine effiziente und selektive Modifikation von künstlichen Polymeren immer noch schwierig.

Ob es um die Veränderung biologischer Stränge wie der DNA oder industrieller Materialien wie Kunststoffe geht, das neue tetraederförmige Werkzeug verspricht, die Wissenschaftler das tun zu lassen, was die Natur bereits gut kann. "Es bedurfte jahrelanger harter Arbeit im Labor, um diesen Tetraeder zusammenzubauen, bevor wir ihn testen konnten", sagt Mona Sharafi, die Hauptautorin der neuen Studie und Postdoktorandin an der Universität von Vermont, die aus dem Iran in die Vereinigten Staaten kam. "Es ist vollständig von Menschenhand gemacht", sagt sie, "aber von der Natur inspiriert".

POTENTE POLYMERE

Das Wort Polymer stammt von einem griechischen Wortpaar, das "viele Teile" bedeutet. Und Polymere sind genau das: Materialien aus riesigen Molekülen, die aus vielen sich wiederholenden Teilen bestehen. Sie sind in vielen Alltagsprodukten zu finden. Einige sind natürlich, wie Gummi und Schellack. Viele sind synthetisch und werden zur Herstellung eines Großteils des Materials im täglichen Leben verwendet - von Einkaufstaschen bis zu Windeln, von Kleidung bis zu Wasserleitungen. Polymere finden sich auf molekularer Ebene in ordentlich langen Schnüren - oder sie können wie eine Milliarde Mikrospaghetti zu gotterbärmlichen Knoten zusammengebunden werden.

Die Natur hat Äonen gebraucht, um herauszufinden, wie diese riesigen Moleküle - Biopolymere wie DNA - synthetisiert werden können und wie ausgewählte Teile bearbeitet und aktiviert werden können. Die Menschen sind ziemlich gut darin geworden, neue synthetische Polymere herzustellen - aber nicht so gut darin, sie auszuwählen und zu bearbeiten. Viele Wissenschaftler und Ingenieure, die an neuen Anwendungen für erneuerbare Energien (z.B. Solarzellen der nächsten Generation), Präzisionsmedizin (z.B. die Verabreichung von Krebsmedikamenten an bestimmte Körperteile) und fortgeschrittene Elektronik (einschließlich flexibler Geräte) arbeiten, würden sich mehr Kontrolle und Effizienz bei der Arbeit mit dem wünschen, was das UVM-Team "funktionelle Polymere mit komplexer Topologie" nennt. Mit Unterstützung der National Science Foundation und der National Institutes of Health (die die computergestützten Studien unter der Leitung des UVM-Chemikers Jianing Li unterstützten) bietet die Forschung über den Nanokäfig ein neues Werkzeug, um "den Knoten zu lösen und Polymere zu öffnen, die vorher unzugänglich gewesen wären", sagt Mona Sharafi vom UVM. "Wir haben etwas Großes geöffnet."

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