31.03.2022 - University of Tokyo

Das Unsichtbare sichtbar machen

Ein neues Modell zur Unterstützung der Interpretation von Molekularbildern mit atomarer Auflösung

Es gibt mehrere Möglichkeiten, zwei- und dreidimensionale Modelle von Atomen und Molekülen zu erstellen. Mit dem Aufkommen hochmoderner Geräte, die Proben auf atomarer Ebene abbilden können, stellten Wissenschaftler fest, dass die traditionellen Molekülmodelle nicht zu den Bildern passten, die sie sahen. Die Forscher haben eine bessere Methode zur Visualisierung von Molekülen entwickelt, die auf diesen traditionellen Methoden aufbaut. Ihre Modelle passen gut zu den gewonnenen Bilddaten und sie hoffen, dass die Modelle Chemikern helfen können, Molekülbilder intuitiv zu interpretieren.

Jeder, der dies liest, ist wahrscheinlich mit den traditionellen Kugel- und Stabmodellen von Atomen und Molekülen vertraut, bei denen Kugeln unterschiedlicher Größe und Farbe die verschiedenen Atomkerne und die Stäbe die Eigenschaften der Bindungen zwischen den Atomen darstellen. Dies sind zwar nützliche Lehrmittel, aber sie sind viel einfacher als die Realität, die sie widerspiegeln. Chemiker verwenden in der Regel Modelle wie das Corey-Pauling-Koltun (CPK)-Modell, das dem Kugel-Stab-Modell ähnelt, bei dem die Kugeln jedoch aufgeblasen sind, so dass sie sich überlappen. Das CPK-Modell sagt den Chemikern weitaus mehr über die Art und Weise aus, wie die Komponenten eines Moleküls interagieren, als das Ball-und-Stick-Modell.

In den letzten Jahren ist es dank Technologien wie der Transmissionselektronenmikroskopie mit atomarer Auflösung (AR-TEM) endlich möglich geworden, nicht nur die Strukturen von Molekülen zu erfassen, sondern sogar ihre Bewegungen und Wechselwirkungen in Videos aufzuzeichnen. Dies wird manchmal als "filmische Molekularwissenschaft" bezeichnet. Doch mit diesem Sprung in unserer Fähigkeit, das Unsichtbare zu visualisieren, werden die Kugel-Stab- oder CPK-Modelle eher zu einem Hindernis als zu einer Hilfe. Als Forscher des Fachbereichs Chemie der Universität Tokio versuchten, diese Modelle an die Bilder anzupassen, die sie sahen, stießen sie auf einige Probleme.

"Das Kugel-Stab-Modell ist viel zu einfach, um genau zu beschreiben, was in unseren Bildern wirklich vor sich geht", so Professor Koji Harano. "Und das CPK-Modell, das technisch gesehen die Ausbreitung der Elektronenwolke um einen Atomkern zeigt, ist zu dicht, um einige Details zu erkennen. Der Grund dafür ist, dass keines dieser Modelle die wahre Größe der Atome zeigt, die die Bilder von AR-TEM zeigen."

In den AR-TEM-Bildern korreliert die Größe eines jeden Atoms direkt mit seinem Atomgewicht, das einfach als Z bezeichnet wird. Daher entschieden sich Professor Eiichi Nakamura und sein Team, ein Kugel-Stab-Modell zu modifizieren, um es an ihre Bilder anzupassen, wobei jeder Kern in dem Modell entsprechend der Z-Zahl des Kerns, den er repräsentiert, dimensioniert wurde, und nannten es Z-korreliertes(ZC) Molekülmodell. Sie behielten dasselbe Farbsystem bei wie beim CPK-Modell, das ursprünglich von den amerikanischen Chemikern Robert Corey und Linus Pauling 1952 eingeführt wurde.

"Ein Bild sagt mehr als tausend Worte, und man kann die AR-TEM-Bilder mit der allerersten Fotografie eines Schwarzen Lochs vergleichen", so Nakamura. "Beide zeigen die Realität, wie man sie noch nie zuvor gesehen hat, und beide sind weit weniger klar, als die Menschen sich diese Dinge wahrscheinlich vorstellen. Deshalb sind Modelle so wichtig, um die Kluft zwischen Vorstellung und Realität zu überbrücken. Wir hoffen, dass das Z-korrelierte Molekülmodell Chemikern helfen wird, elektronenmikroskopische Bilder auf der Grundlage ihrer Intuition zu analysieren, ohne dass theoretische Berechnungen erforderlich sind, und dass es eine neue Welt der 'filmischen Molekularwissenschaft' eröffnen wird."

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