Physikalische Chemie: In die Brüche gegangen
Marmor, Stein und Eisen bricht - aber die chemischen Bindungen zwischen Kohlenstoff-Atomen sind beständig. Auf diese alte Weisheit vertraut die Chemie bei ihren Synthesen und entwirft langkettige Moleküle, die mehr aushalten als Stahlseile. Mitunter reichen aber viele schwache Bindungen, um eine Kette mit vereinten Kräften zu zerreißen.
Eine kraftvolle Ordnung regelt die Verhältnisse innerhalb von Molekülen und zwischen chemischen Verbindungen. Am unteren Ende der Skala rangieren die Van-der-Waals-Bindungen, die aus kurzzeitigen Verschiebungen der Elektronen hervorgehen und Partner entsprechend schwach miteinander koppeln. Es folgen elektrostatische Anziehungen zwischen permanent teilgeladenen Gruppen, zu denen die häufig anzutreffenden Wasserstoffbrückenbindungen gehören. In großer Zahl bringen sie bereits erstaunliche Gesamtkräfte auf, die beispielsweise zwei DNA-Fäden zur Doppelhelix verknüpfen und als Kohäsion Regen die Form von Tropfen geben. Stärker sind die Kräfte zwischen richtig geladenen Ionen, die immerhin ausreichen, um Salze zu Festkörpern erstarren zu lassen.
Doch den unbestritten stärksten Zusammenhalt garantieren kovalente Bindungen, in denen sich zwei Atome ein oder mehrere Paare von Elektronen teilen. Diese auch echte Atombindung oder Elektronenpaarbindung genannte Brücke ist praktisch nur mit äußerster Gewalt zum Einsturz zu bringen – meist, indem den Atomen noch attraktivere Partner für neue kovalente Bindungen angeboten werden. Ein Tauschhandel also, denn derartig feste Gebilde sind durch einfaches mechanisches Zerren nicht auseinanderzubringen.
So dachte man und fühlte sich durch unzählige Beispiele aus Natur und Labor bestätigt. Spinnenseide etwa kann als langer Proteinfaden erstaunlichen Zuglasten standhalten. Die DNA widersteht im genetischen Zellalltag heftigen Zerr-, Scher- und Rotationskräften, und Nylon erfüllt als Strumpf, Zahnbürstenborste oder Fallschirm klaglos allen Beanspruchungen zum Trotz seinen Dienst. In fast allen Fällen stecken hinter dem Geheimnis der Langlebigkeit kovalente Bindungen zwischen Kohlenstoff-Atomen. Mag reißen, was da reißt – eine C-C-Bindung hält. Dachte man.
Dem gewohnten Bild steht nun der scharfe Blick des Rasterkraftmikroskops entgegen. Was Sergei Sheiko von der Universität von North Carolina in Chapel Hill und seine Kollegen damit erblickten, dürfte Chemikern zumindest ein erstauntes "Uops!" entlocken. Die Forscher synthetisierten für ihre Versuche Polymere, die entfernt an Künstlerpinsel erinnerten: Von einem bündelnden Bereich gingen lange Kohlenstoff-Ketten aus.
Diese Makromoleküle brachten die Wissenschaftler auf Oberflächen von verschiedenen Festkörpern und Flüssigkeiten und betrachteten anschließend mit dem Kraftmikroskop, wie die "Pinsel" sich auf das Material gelegt hatten. Zumindest war das ihre Absicht.
Zu sehen bekamen sie hingegen etwas, das eher an eine Portion gekochter Spagetti erinnert, die zu Boden gefallen sind: ein Feld unterschiedlich langer Einzelfäden ohne sichtliche Ordnung. Offenbar waren die Pinsel beim Anlagern an die Oberfläche auseinandergerissen worden.
Da von außen keine Kräfte auf die "Pinsel" eingewirkt haben, folgern Sheiko und sein Team, dass die Moleküle sich selbst zerfetzen. Zwischen ihren Teilfäden und dem Untergrund entstehen beim Annähern unzählige schwache Bindungen. Die verantwortlichen Kräfte ziehen das Molekül mitunter in entgegengesetzte Richtungen und setzen es so einem mechanischen Stress aus. Es ist, als ob eine immer größere Zahl von Kindern mit einem dicken Seil Tauziehen spielt – irgendwann reicht die Summe der kleinen Kräfte aus, um den Widerstand des Seils zu brechen. Es reißt ebenso wie die "Pinselmoleküle". Dessen Bruchstücke sind dann frei, sich dem weiteren Spiel der Kräfte folgend auszubreiten.
Dass mechanische Kräfte zu chemischen Konsequenzen führen können, ist bereits aus der Biochemie bekannt, wo bestimmte Bewegungen chemische Reaktionen antreiben, etwa als Teil der Signalkette in Zellen. Doch dabei laufen ziemlich komplexe Mechanismen ab. Ein einfaches Zerreißen ist hingegen neu.
Und womöglich wichtig. Denn bislang gehen Wissenschaftler davon aus, dass ihre Moleküle keinen Schaden nehmen, wenn sie auf ein Trägermaterial aufgebracht werden. Sei es die Lackschicht auf dem Auto oder das medizinisch bedeutsame Indikatorprotein auf einer Glasplatte – kaputt können sich die Verbindungen anders verhalten als in der intakten Form.
In Zukunft gilt es darum, nachzuprüfen, ob die Moleküle nach dem Transfer auch tatsächlich noch unversehrt sind. Oder sie gezielt auf solche Unterlagen zu übertragen, die besonders zerstörerisch an den Substanzen zerren. Mit gezielt eingebauten Sollbruchstellen versehen könnte das Aufbringen auf den Träger damit zum letzten gewollten Reaktionsschritt werden. Beispielsweise bei Verbindungen, die in einer Vorstufe besser haltbar oder verträglicher für Umwelt und Gesundheit wären. So könnten die rohen Kräfte zur Abwechslung einmal schöpferisch walten.
Doch den unbestritten stärksten Zusammenhalt garantieren kovalente Bindungen, in denen sich zwei Atome ein oder mehrere Paare von Elektronen teilen. Diese auch echte Atombindung oder Elektronenpaarbindung genannte Brücke ist praktisch nur mit äußerster Gewalt zum Einsturz zu bringen – meist, indem den Atomen noch attraktivere Partner für neue kovalente Bindungen angeboten werden. Ein Tauschhandel also, denn derartig feste Gebilde sind durch einfaches mechanisches Zerren nicht auseinanderzubringen.
So dachte man und fühlte sich durch unzählige Beispiele aus Natur und Labor bestätigt. Spinnenseide etwa kann als langer Proteinfaden erstaunlichen Zuglasten standhalten. Die DNA widersteht im genetischen Zellalltag heftigen Zerr-, Scher- und Rotationskräften, und Nylon erfüllt als Strumpf, Zahnbürstenborste oder Fallschirm klaglos allen Beanspruchungen zum Trotz seinen Dienst. In fast allen Fällen stecken hinter dem Geheimnis der Langlebigkeit kovalente Bindungen zwischen Kohlenstoff-Atomen. Mag reißen, was da reißt – eine C-C-Bindung hält. Dachte man.
Dem gewohnten Bild steht nun der scharfe Blick des Rasterkraftmikroskops entgegen. Was Sergei Sheiko von der Universität von North Carolina in Chapel Hill und seine Kollegen damit erblickten, dürfte Chemikern zumindest ein erstauntes "Uops!" entlocken. Die Forscher synthetisierten für ihre Versuche Polymere, die entfernt an Künstlerpinsel erinnerten: Von einem bündelnden Bereich gingen lange Kohlenstoff-Ketten aus.
Diese Makromoleküle brachten die Wissenschaftler auf Oberflächen von verschiedenen Festkörpern und Flüssigkeiten und betrachteten anschließend mit dem Kraftmikroskop, wie die "Pinsel" sich auf das Material gelegt hatten. Zumindest war das ihre Absicht.
Zu sehen bekamen sie hingegen etwas, das eher an eine Portion gekochter Spagetti erinnert, die zu Boden gefallen sind: ein Feld unterschiedlich langer Einzelfäden ohne sichtliche Ordnung. Offenbar waren die Pinsel beim Anlagern an die Oberfläche auseinandergerissen worden.
Da von außen keine Kräfte auf die "Pinsel" eingewirkt haben, folgern Sheiko und sein Team, dass die Moleküle sich selbst zerfetzen. Zwischen ihren Teilfäden und dem Untergrund entstehen beim Annähern unzählige schwache Bindungen. Die verantwortlichen Kräfte ziehen das Molekül mitunter in entgegengesetzte Richtungen und setzen es so einem mechanischen Stress aus. Es ist, als ob eine immer größere Zahl von Kindern mit einem dicken Seil Tauziehen spielt – irgendwann reicht die Summe der kleinen Kräfte aus, um den Widerstand des Seils zu brechen. Es reißt ebenso wie die "Pinselmoleküle". Dessen Bruchstücke sind dann frei, sich dem weiteren Spiel der Kräfte folgend auszubreiten.
Dass mechanische Kräfte zu chemischen Konsequenzen führen können, ist bereits aus der Biochemie bekannt, wo bestimmte Bewegungen chemische Reaktionen antreiben, etwa als Teil der Signalkette in Zellen. Doch dabei laufen ziemlich komplexe Mechanismen ab. Ein einfaches Zerreißen ist hingegen neu.
Und womöglich wichtig. Denn bislang gehen Wissenschaftler davon aus, dass ihre Moleküle keinen Schaden nehmen, wenn sie auf ein Trägermaterial aufgebracht werden. Sei es die Lackschicht auf dem Auto oder das medizinisch bedeutsame Indikatorprotein auf einer Glasplatte – kaputt können sich die Verbindungen anders verhalten als in der intakten Form.
In Zukunft gilt es darum, nachzuprüfen, ob die Moleküle nach dem Transfer auch tatsächlich noch unversehrt sind. Oder sie gezielt auf solche Unterlagen zu übertragen, die besonders zerstörerisch an den Substanzen zerren. Mit gezielt eingebauten Sollbruchstellen versehen könnte das Aufbringen auf den Träger damit zum letzten gewollten Reaktionsschritt werden. Beispielsweise bei Verbindungen, die in einer Vorstufe besser haltbar oder verträglicher für Umwelt und Gesundheit wären. So könnten die rohen Kräfte zur Abwechslung einmal schöpferisch walten.
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