Nanomaterialen: Wie man Ringe von Ketten trennt

PhysikerInnen entwickeln Strategie um chemisch identische Makromoleküle zu trennen, die sich nur in ihrer Form unterscheiden

Was ist der Unterschied zwischen einer langen Kette und einem Ring aus dem gleichen Material? Die molekulare Zusammensetzung ist identisch, jedoch besitzen beide Strukturen von einem mathematischen Standpunkt aus gesehen unterschiedliche Topologien – ringförmig und linear. Dieser Unterschied ist auf makroskopischer Ebene ohne Probleme erkennbar, etwa bei einem goldenen Ring oder einem Goldbarren. Wie aber Nano- und Mikromoleküle aus dem gleichen Material unterschieden werden können, haben die PhysikerInnen Lisa Weiss und Christos Likos von der Universität Wien sowie Arash Nikoubashman von der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz untersucht. Ihre Ergebnisse, die den Weg zu neuen Materialien öffnen, sind aktuell in der renommierten Fachzeitschrift ACS Macro Letters erschienen.

Die "rein mathematische Eigenschaft" – linear oder ringförmig – kann weitreichende Folgen in der Welt der Materialphysik haben. Da ringförmige Moleküle kein freies, angreifbares Ende besitzen, sind diese widerstandsfähiger und weniger verschränkt als lineare Ketten. Das nutzt die Natur beispielsweise im Fall von RNA und DNA um zu vermeiden, dass diese Moleküle abgebaut werden: Dabei hängen nicht nur biologische Funktionen von dem kleinen Unterschied Ring oder Kette ab, sondern auch im fließenden Zustand zeigen beide Strukturen und deren Mischungen ein deutlich unterschiedliches Verhalten.

Dieses Phänomen zeigt sich etwa auch beim Umrühren eines Topfes mit Spaghetti, die hier eine Analogie für lineare Moleküle sind: Einzelne Nudeln beginnen sich teilweise in Flussrichtung auszurichten, dennoch bleiben sie stark verschlungen. Wird ringförmige Pasta verwendet, man kann sich diese Pasta als Spaghetti mit zusammengeklebten Enden vorstellen, die weniger verschränkt ist, so ist eine Ausrichtung in Flussrichtung einfacher und der Topf mit Pasta lässt sich leichter umrühren. Allerdings kann man eine Mischung beider Strukturen auch im Kochtopf nicht leicht in hoher Reinheit voneinander trennen, da die zu Grunde liegenden Bausteine aus dem gleichen Material aufgebaut sind. Beide Nudeltopologien bestehen aus dem gleichen Teig: Ein Versuch, die zwei Strukturen durch chemische Methoden zu trennen, ist hoffnungslos. So muss jede Nudel einzeln herausgefischt werden um zu unterscheiden, ob es eine ringförmige Nudel oder ein Spaghetto ist. Da ein solcher Prozess auf mikroskopischer Ebene nicht möglich ist, ist die Entwicklung neuer Materialien sowie die Analyse der Topologie von biologischen Molekülen ohne neue Trennungsverfahren schwierig.

Die ForscherInnen der Universität Wien und der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz haben nun eine automatisierbare Strategie entwickelt, die ringförmige Moleküle sehr zuverlässig von ihrem linearen Gegenstück trennt. In Computersimulationen zeigten sie, dass mikroskopische Kanäle mit Stellen, die die einzelnen Bausteine von Ketten und Ringen gleichermaßen anziehen, geeignet sind, um Ringe von Ketten zu trennen. "Dabei werden lineare Ketten immobilisiert, wo hingegen Ringe 'rollen'. Diese Rollbewegung ist nur für die Ringtopologie möglich, da sie eine geschlossene Konturlinie besitzen", erklärt Lisa Weiss vom Institut für Computergestützte Physik an der Universität Wien. Um den Filter schließlich von den dort haftenden Ketten zu reinigen, spülten die WissenschafterInnen sie mit einer Flüssigkeit, in der die Polymere nicht löslich sind, wie beispielsweise Öl in Wasser, einfach ab.  Dadurch zieht sich die Kette zusammen und ändert ihre Form von einem Stäbchen zu einem Tröpfchen, welches nicht mehr an der flachen Wand kleben kann. Der Fluss reißt das Tröpfchen schließlich einfach mit und der Filter ist gereinigt.

Das Projekt wurde durch die EU-Initiative Horizon 2020 im Rahmen des Marie-Skłodowska-Curie-Netzwerks Nanotrans gefördert.

Publikation in ACS Macro Letters:
Lisa B. Weiss, Arash Nikoubashman und Christos N. Likos: Topology-Sensitive Microfluidic Filter for Polymers of Varying Stiffness. In Macro Letters (2017)
http://dx.doi.org/10.1021/acsmacrolett.7b00768

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Lisa Weiß, MSc

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