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Molekulares Fahrradpedal: Wissenschaftler stellen molekularen Schalter vor

08.02.2018

Wie ein Fahrradpedal, das man vor- und zurücktritt: So kann man sich den neuen molekularen Schalter vorstellen, den der münstersche Nanotechnologe Dr. Saeed Amirjalayer und seine Mitautoren von den Universitäten Murcia (Spanien) und Amsterdam (Niederlande) jetzt in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“ vorstellen. Die Pedalbewegung wird durch Licht ausgelöst. Das Besondere: Im Gegensatz zu ähnlichen molekularen Schaltern benötigt das „Pedalmolekül“ deutlich weniger Raum für seine Bewegung.

Molekulare Schalter sind Moleküle, die reversibel zwei oder mehr Zustände einnehmen und dadurch molekulare Prozesse steuern. In lebenden Organismen sind solche Schalter beispielsweise für die Muskelkontraktion notwendig. Wissenschaftler erhoffen sich, über molekulare Schalter die Eigenschaften von Materialien steuern zu können, zum Beispiel die gezielte Abgabe von Medikamenten aus Nanokapseln.

„Die meisten bisher entwickelten molekularen Bausteine benötigen für den Schaltvorgang ein relativ großes Volumen“, erläutert Saeed Amirjalayer, der am Physikalischen Institut der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und am Center for Nanotechnology (CeNTech) arbeitet. Als Beispiel nennt er molekulare Rotoren, die der niederländische Chemiker Prof. Dr. Ben Feringa entwickelte und für die dieser 2016 gemeinsam mit zwei weiteren Forschern den Nobelpreis für Chemie erhielt. Für viele Anwendungen, beispielsweise für molekulare Computer oder für die Katalyse, müssten die Molekülschalter jedoch in Polymere oder in Kristalle eingebettet werden. Durch die räumliche Einschränkung ist in diesen Fällen keine großen strukturellen Änderungen möglich.

Die Wissenschaftler untersuchten die „Pedalbewegung“ durch zeit-aufgelöste Infrarot-Spektroskopie. „Für die Entwicklung und Anwendung von photo-responsiven, also durch Licht steuerbaren molekularen Schaltern ist es maßgeblich, nicht nur die beiden ‚Ruhezustände‘ zu kennen, sondern auch die Bewegung dazwischen“, erläutert Saeed Amirjalayer. Mithilfe dieser spektroskopischen Methode machten die Wissenschaftler in extrem kurzen Zeitabständen „Schnappschüsse“ des molekularen Schalters nach seiner Aktivierung durch Licht. Zusammen mit quantenmechanischen Berechnungen erhielten sie so ein detailliertes Bild von seiner Funktionsweise.

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