10.08.2020 - Ruhr-Universität Bochum (RUB)

Programmierbare synthetische Materialien

In Zukunft könnten MOFs die Basis programmierbarer chemischer Moleküle sein

In der DNA ist die Information in der Abfolge chemischer Bausteine gespeichert, in Computern bestehen Information aus Sequenzen von Nullen und Einsen. Dieses Konzept wollen Forscher auf künstliche Moleküle übertragen.

Künstliche Moleküle könnten eines Tages die Informationseinheit einer neuen Art von Computern bilden oder die Basis für programmierbare Substanzen sein. Die Information wäre in der räumlichen Anordnung der einzelnen Atome codiert – ähnlich wie die Abfolge der Basenpaare den Informationsgehalt der DNA bestimmt oder Sequenzen von Nullen und Einsen das Gedächtnis der Computer bilden. Einen Schritt hin zu dieser Vision haben Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und University of California in Berkeley gemacht. Sie zeigten, dass man mithilfe der Atomsondentomografie eine komplexe räumliche Anordnung von zufällig verteilten Metallatomen bestimmen kann – und somit potenziell die Information, die in einer Atomanordnung codiert wäre, wieder auslesen könnte.

In der Fachzeitschrift „Science“, online veröffentlicht am 7. August 2020, beschreibt Prof. Dr. Tong Li, Leiterin der Forschungsgruppe Atomic-scale Characterisation am Institut für Werkstoffe der RUB, zusammen mit Dr. Zhe Ji und Prof. Dr. Omar Yaghi aus Berkeley die Methode.

Metallsequenzen decodieren

Als Basis für eine Informationscodierung mit Atomen kommen sogenannte Metal-Organic-Frameworks, kurz MOFs, infrage. Dabei handelt es sich um poröse kristalline Gebilde mit einer definierten räumlichen Struktur, in die sich einzelne Atome einlagern können. Um in der Anordnung der eingelagerten Atome Informationen zu codieren, muss die Anordnung jedoch gezielt erfolgen können, veränderbar sein und auch wieder ausgelesen werden können.

Das Auslesen der Information in MOFs gelang bislang jedoch nur bei sehr einfachen räumlichen Anordnungen, die sich nicht eignen würden, um komplexe Informationen damit zu codieren. In der aktuellen Studie zeigte das Forschungsteam, das sich mittels Atomsondentomografie auch kompliziertere räumliche Anordnungen von Metallatomen bestimmen lassen. Mit dem Verfahren, für das die Bochumer Materialwissenschaftlerin Tong Li eine Expertin ist, lassen sich einzelne Atome sichtbar machen. Die Gruppe arbeitete mit dem sogenannten MOF-74, in das sie einzelne Atome Kobalt, Cadmium, Blei und Mangan zufällig einlagerte. Anschließend entschlüsselte sie deren räumliche Struktur.

Genauso raffiniert wie die Biologie

In Zukunft könnten MOFs die Basis programmierbarer chemischer Moleküle sein: So könnte ein MOF beispielsweise programmiert werden, einen pharmazeutischen Wirkstoff in den Körper einzubringen, dabei gezielt infizierte Zellen ansteuern und nicht mehr benötigten Wirkstoff zu harmlosen Substanzen abzubauen. Sie könnten aber beispielsweise auch für die Abscheidung von CO2 zum Einsatz kommen und gleichzeitig dazu dienen, das CO2 in einen nützlichen Ausgangsstoff für die chemische Industrie umzuwandeln.

„Langfristig können solche Strukturen mit einprogrammierten Atomsequenzen unsere Denkweise in Bezug auf die Materialsynthese komplett verändern“, so die Autoren. „Die synthetische Welt könnte ein ganz neues Level der Präzision und Raffinesse erreichen, das bislang der Biologie vorbehalten war.“

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • künstliche Moleküle
  • Atomsondentomografie
  • Atome
  • Metal-Organic Frameworks
Mehr über Ruhr-Universität Bochum
  • News

    Leistungsfähige Multi-Element-Katalysatoren schnell identifizieren

    Unter Tausenden Möglichkeiten die beste Materialzusammensetzung zu finden gleicht der Suche nach der Stecknadel im Heuhaufen. Ein internationales Team kombiniert dazu Computersimulationen und Hochdurchsatz-Experimente. Katalysatoren aus mindestens fünf chemischen Elementen könnten der Schlü ... mehr

    Neuer Syntheseweg für Biosprit-Produktion

    Ein deutsch-chinesisches Forschungsteam hat einen neuen Syntheseweg gefunden, um aus Biomasse Biosprit herzustellen. Die Chemiker wandelten die aus Biomasse erzeugte Substanz 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) in 2,5-Dimethylfuran (DMF) um, das sich als Biokraftstoff eignen könnte. Im Vergleich ... mehr

    Wasserstoff-produzierendes Enzym schützt sich selbst vor Sauerstoff

    Wasserstoff-produzierende Enzyme gelten als Hoffnungsträger der Biowasserstoff-Forschung. Allerdings sind sie so anfällig gegen Luftsauerstoff, dass sie bisher nicht in größerem Maßstab eingesetzt werden können. Die erst vor Kurzem entdeckte [FeFe]-Hydrogenase CbA5H aus dem Bakterium Clostr ... mehr

  • q&more Artikel

    Maßgeschneiderte Liganden eröffnen neue Reaktionswege

    Zum ersten Mal konnte ein effizienter Katalysator für die palladiumkatalysierten C–C-Bindungs-knüpfungen zwischen Arylchloriden und Alkyllithium-Verbindungen gefunden werden. Diese Reaktion ermöglicht einfachere Synthesewege für wichtige Produkte. mehr

    Mit Licht und Strom dem Schicksal einzelner Nanopartikel auf der Spur

    Die Kombination aus Dunkelfeldmikroskopie und Elektrochemie macht einzelne Nanopartikel in flüssigem Medium sichtbar. Hiermit kann die Aktivität von Katalysatoren während ihrer Anwendung ermittelt werden. mehr

    Vibrationsspektroskopie - Labelfreies Imaging

    Spektroskopische Methoden erlauben heute mit bisher unerreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung tiefe Einblicke in die Funktionsweise biologischer Systeme. Neben der bereits sehr gut etablierten Fluoreszenzspektroskopie wird in den letzten Jahren das große Potenzial der labelfreien Vib ... mehr

  • Autoren

    Henning Steinert

    Henning Steinert, Jahrgang 1993, studierte an der Carl‑von‑Ossietzky Universität Oldenburg Chemie, wo er sich unter anderem mit der Aktivierung von Si–H-Bindungen an Titankomplexen beschäftigte. Aktuell promoviert er an der Ruhr-Universität Bochum am Lehrstuhl für Anorganische Chemie II von ... mehr

    Prof. Dr. Viktoria Däschlein-Gessner

    Viktoria Däschlein-Gessner, Jahrgang 1982, studierte Chemie an den Universitäten Marburg und Würzburg und promovierte im Jahr 2009 an der TU Dortmund. Nach einem Postdoc-Aufenthalt an der University of California in Berkeley (USA) leitete sie eine Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe an der Univers ... mehr

    Kevin Wonner

    Kevin Wonner, Jahrgang 1995, studierte Chemie mit dem Schwerpunkt der elektrochemischen Untersuchung von Nanopartikeln an der Ruhr-Universität Bochum und ist seit 2018 Doktorand am Lehrstuhl für Analytische Chemie II von Prof. Dr. Kristina Tschulik im Rahmen des Graduiertenkollegs 2376. Er ... mehr

Mehr über UC Berkeley
  • News

    Hart wie ein Diamant und verformbar wie Metall

    Smartphones mit großflächigen Glasgehäusen und Displays überzeugen zwar optisch, sind aber auch sehr anfällig für Risse und Kratzer. Um diese Schäden künftig zu vermeiden, bräuchte es ein Material, das die Härte eines Diamanten und die Verformbarkeit eines Metalls vereint. Ein Material, das ... mehr

    Upcycling: Neues katalytisches Verfahren verwandelt Plastiktüten in Klebstoff

    Obwohl viele Städte und acht Bundesstaaten Einwegplastik verboten haben, verstopfen Tüten und andere Polyethylenverpackungen immer noch die Mülldeponien und verschmutzen Flüsse und Meere. Ein großes Problem beim Recycling von Polyethylen, das ein Drittel der gesamten Kunststoffproduktion we ... mehr

    Häufigste chemische Bindung der Natur endlich geknackt

    Die häufigste chemische Bindung in der Welt der Lebewesen - die zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff - hat sich lange Zeit den Versuchen der Chemiker widersetzt, sie aufzubrechen, wodurch die Bemühungen vereitelt wurden, alten Molekülen auf Kohlenstoffbasis neue Extras hinzuzufügen. Jetzt, ... mehr