Durchbruch: Wissenschaftler entwickeln künstliche Moleküle, die sich wie echte Moleküle verhalten
Einsatzmöglichkeiten der neuen Technik sind endlos: "Wir fangen gerade erst an, uns vorzustellen, was wir damit alles machen können. Wir haben so viele Ideen..."
Wissenschaftler der Radboud-Universität haben synthetische Moleküle entwickelt, die echten organischen Molekülen ähneln. Eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Alex Khajetoorians und Daniel Wegner kann nun das Verhalten echter Moleküle mit Hilfe künstlicher Moleküle simulieren. Auf diese Weise können sie die Eigenschaften von Molekülen in einer Weise verändern, die normalerweise schwierig oder unrealistisch ist, und sie können viel besser verstehen, wie sich Moleküle verändern.
Emil Sierda, der an der Radboud-Universität für die Durchführung der Experimente verantwortlich war, erklärte: "Vor einigen Jahren hatten wir die verrückte Idee, einen Quantensimulator zu bauen. Wir wollten künstliche Moleküle schaffen, die echten Molekülen ähneln. Also haben wir ein System entwickelt, in dem wir Elektronen einfangen können. Die Elektronen umgeben ein Molekül wie eine Wolke, und wir haben diese eingefangenen Elektronen benutzt, um ein künstliches Molekül zu bauen. Die Ergebnisse, die das Team erzielte, waren erstaunlich. Sierda: "Die Ähnlichkeit zwischen dem, was wir gebaut haben, und echten Molekülen war unheimlich.
Veränderte Moleküle
Alex Khajetoorians, Leiter der Abteilung Rastersondenmikroskopie (SPM) am Institut für Moleküle und Materialien der Radboud Universität: "Moleküle herzustellen ist schwierig genug. Schwieriger ist es oft, zu verstehen, wie bestimmte Moleküle reagieren, zum Beispiel wie sie sich verändern, wenn sie verdreht oder verändert werden. Wie sich Moleküle verändern und reagieren, ist die Grundlage der Chemie und führt zu chemischen Reaktionen, wie der Bildung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff. Wir wollten Moleküle simulieren, um über das ultimative Werkzeug zu verfügen, mit dem wir sie auf eine Art und Weise verbiegen und abstimmen können, die bei echten Molekülen fast unmöglich ist. Auf diese Weise können wir etwas über echte Moleküle aussagen, ohne sie herzustellen oder uns mit den Herausforderungen auseinandersetzen zu müssen, die sie darstellen, wie z. B. ihre ständig wechselnde Form.
Benzol
Mit Hilfe dieses Simulators schufen die Forscher eine künstliche Version eines der grundlegenden organischen Moleküle der Chemie: Benzol. Benzol ist die Ausgangskomponente für eine Vielzahl von Chemikalien, wie z. B. Styrol, das zur Herstellung von Polystyrol verwendet wird. Khajetoorians: "Indem wir Benzol hergestellt haben, haben wir ein organisches Molekül aus dem Lehrbuch simuliert und ein Molekül gebaut, das aus Elementen besteht, die nicht organisch sind. Darüber hinaus sind die Moleküle zehnmal größer als ihre realen Gegenstücke, was die Arbeit mit ihnen erleichtert.
Praktische Anwendungen
Die Anwendungsmöglichkeiten dieser neuen Technik sind vielfältig. Daniel Wegner, Assistenzprofessor in der Abteilung SPM: "Wir fangen gerade erst an, uns vorzustellen, was wir damit alles machen können. Wir haben so viele Ideen, dass es schwer ist, zu entscheiden, wo wir anfangen sollen. Durch den Einsatz des Simulators können Wissenschaftler Moleküle und ihre Reaktionen viel besser verstehen, was in allen erdenklichen wissenschaftlichen Bereichen hilfreich sein wird. Wegner: "Neue Materialien für zukünftige Computer-Hardware sind zum Beispiel sehr schwer herzustellen. Indem wir eine simulierte Version herstellen, können wir die neuartigen Eigenschaften und Funktionalitäten bestimmter Moleküle untersuchen und beurteilen, ob es sich lohnt, das echte Material herzustellen. In ferner Zukunft könnte alles Mögliche möglich sein: das schrittweise Verstehen chemischer Reaktionen wie in einem Zeitlupenvideo oder die Herstellung künstlicher elektronischer Einzelmolekül-Bauteile, wie die Verkleinerung eines Transistors auf einem Computerchip. Quantensimulatoren sollen sogar wie Quantencomputer funktionieren. Sierda: "Aber bis dahin ist es noch ein weiter Weg, denn jetzt können wir damit beginnen, Moleküle auf eine Art und Weise zu verstehen, wie wir sie noch nie zuvor verstanden haben.
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