Wie man Nanoteilchen nach ihrer 'Form' trennen kann

In unserem täglichen Leben sind Zweck und Funktion eines Gegenstandes entweder durch dessen Material bestimmt oder durch dessen Form. Ein Regenmantel ist aus wasserabweisenden Stoffen hergestellt, ein Rad immer rund, damit es rollen kann. Aber wie sieht das bei den kleinsten Teilchen aus? Während der Einfluss des Materials auf Nanoebene bereits detailliert untersucht wurde, gab es bisher keine verlässliche Trennmethode für Moleküle von unterschiedlicher 'Form'. WissenschafterInnen der Universität Wien und der International School for Advanced Studies in Triest konnten dieses Rätsel nun lösen. Die Ergebnisse erschienen kürzlich in der Fachzeitschrift "Macromolecules".

Die ForscherInnen haben eine Strategie entwickelt wie man geknotete Ringpolymere von ungeknoteten trennen kann. Polymere sind lange Moleküle, die aus wenigen sich immer wieder wiederholenden Bausteinen, sogenannten Monomer, aufgebaut sind. Die Gruppe um Lisa Weiß und Christos Likos von der Universität Wien und Cristian Micheletti und Mattia Marenda von der International School for Advanced Studies (SISSA) beschäftigte sich mit dem Einfluss von Topologie, welches der mathematisch exakte Begriff für Form und Konnektivität ist, auf Polymere und wie man sie voneinander trennen kann. Verschiedene Topologien in der Polymerwissenschaft sind etwa der Unknoten, den man sich als geschlossene, unverknotete Perlenkette vorstellen kann, bei der jede Perle einem Monomer entspricht, oder verschiedenartig geknotete Strukturen, welche dem Bild von beliebig geknoteten, ebenfalls geschlossenen Perlenketten entsprechen.  

Der Schlüssel zur Trennung dieser Formen sind modulierte Nanokanäle mit einem kleinen Durchmesser, der periodisch entlang der Länge des Kanals zu- und abnimmt. Auf solchen Längen- und Zeitskalen ist die thermische Bewegung, auch als Brownsche Molekularbewegung bekannt, nicht zu vernachlässigen. Diese chaotische Bewegung verursacht die Diffusion der Polymere, worunter man die Deplatzierung des Moleküls durch zufällige Bewegung versteht.

Ohne Fluss kehrt ein modulierter Kanal die Rangliste der Diffusion im Vergleich zum System, das nicht durch Wände beschränkt wird, um, so dass die am schnellsten diffundierende Spezies nun die langsamste ist. Weil die Diffusion chaotisch ist und dazu tendiert, alles zu vermischen, kann diese leider nicht zum Trennen der Polymere verwendet werden. Deshalb haben die ForscherInnen schwache Flüsse mittels besonderer Simulationstechniken angewandt, welche die durch das Lösungsmittel übertragenen Impulse korrekt reproduziert. Im Falle von sehr schwachen Flüssen, können die ForscherInnen tatsächlich verschieden geknotete Polymere voneinander trennen.

Dieser Mechanismus basiert darauf, dass die mittlere Transportgeschwindigkeit auf Grund des Flusses immer noch kleiner ist als die zufällige thermische Bewegung. Dadurch haben Polymere genügend Zeit, die Querschnittsfläche des Kanals zu erkunden, bevor sie in die nächste Kammer transportiert werden. Solange diese Bedingung erfüllt ist, können unterschiedliche Knoten bis zu einem Faktor 10 schneller transportiert werden, wodurch eine zuverlässige Trennung sichergestellt ist. Interessanterweise ist das Verhältnis von Knotengröße zu Verengung kein limitierendes Kriterium für die Trennung. Nichtsdestotrotz, kann dieses Verhältnis benutzt werden, um zu kontrollieren ob ein Polymer zuerst mit dem geknoteten Teil in eine neue Kammer transportiert wird, oder ob der Knoten hinterher gezogen wird.



Die Kollaboration im Rahmen des Marie-Curie Forschungsnetzwerks Nanotrans ermöglichte, das Wissen über Hydrodynamik in Wien mit der Knoten-Expertise in Triest zu vereinigen.
Dieser Mechanismus basiert darauf, dass die mittlere Transportgeschwindigkeit auf Grund des Flusses immer noch kleiner ist als die zufällige thermische Bewegung. Dadurch haben Polymer genügend Zeit die Querschnittsfläche des Kanals zu erkunden, bevor sie in die nächste Kammer transportiert werden. Solange diese Bedingung erfüllt ist, können unterschiedliche Knoten bis zu einem Faktor 10 unterschiedlich schnell transportiert werden, wodurch eine zuverlässige Trennung sicher gestellt ist. Interessanterweise ist das Verhältnis von Knotengröße zu Verengung kein limitierendes Kriterium. Nichtsdestotrotz, kann dieses Verhältnis benutzt werden, um zu kontrollieren ob ein Polymer zuerst mit dem geknoteten Teil in eine neue Kammer transportiert wird, oder ob der Knoten hinterher gezogen wird.

Dieses Projekt wurde durch die Europäische Union im Rahmen des Horizon 2020 Research and Innovation Programms gefördert mit der Nr. 674979-Nanotrans.

Publikation in "Marcomolecules":
Lisa B. Weiss, Mattia Marenda, Cristian Micheletti, and Christos N. Likos
Hydrodynamics and Filtering of Knotted Ring Polymers in Nanochannels
DOI: 10.1021/acs.macromol.9b00516