Kontrolle der Materie auf atomarer Ebene: Durchbruch an der University of Bath
Physiker kommen der Kontrolle chemischer Reaktionen auf Einzelmolekülebene immer näher - könnte das die Zukunft der Pharmaforschung prägen?
Die Kontrolle der Materie auf atomarer Ebene hat dank der bahnbrechenden Nanotechnologie-Forschung eines internationalen Wissenschaftlerteams unter der Leitung von Physikern der University of Bath einen großen Schritt nach vorn gemacht.
Künstlerische Darstellung eines Rastertunnelmikroskops zur Untersuchung eines Toluolmoleküls
Dr Kristina Rusimova, Hannah Martin and Pieter Keenan
Dieser Fortschritt hat tiefgreifende Auswirkungen auf das grundlegende wissenschaftliche Verständnis. Er wird wahrscheinlich auch wichtige praktische Anwendungen haben, z. B. die Art und Weise, wie Forscher neue Medikamente entwickeln.
Die Kontrolle von Einzelmolekülreaktionen mit einem einzigen Ergebnis ist heute in Forschungslabors auf der ganzen Welt fast schon Routine. Vor mehr als einem Jahrzehnt haben Forscher des Technologieriesen IBM ihre Fähigkeit, einzelne Atome zu manipulieren, mit dem Film Ein Junge und sein Atom, dem kleinsten Film der Welt, unter Beweis gestellt. In diesem Film wurden einzelne Moleküle, die aus zwei miteinander verbundenen Atomen bestehen, 100 Millionen Mal vergrößert und Bild für Bild positioniert, um eine Stop-Motion-Geschichte auf atomarer Ebene zu erzählen.
Die Kontrolle über chemische Reaktionen mit mehreren Ergebnissen ist jedoch schwer zu erreichen. Das liegt daran, dass im Allgemeinen nur einige Ergebnisse einer chemischen Reaktion nützlich sind.
Bei der Arzneimittelsynthese beispielsweise führt ein chemischer Prozess, der eine "Zyklisierung" zur Folge hat, zu der gewünschten therapeutischen Verbindung, während die "Polymerisation", ein anderes Ergebnis, zu unerwünschten Nebenprodukten führt.
Die Möglichkeit, Reaktionen präzise zu steuern, um gewünschte Ergebnisse zu begünstigen und unerwünschte Nebenprodukte zu reduzieren, verspricht, die Effizienz und Nachhaltigkeit pharmazeutischer Prozesse zu verbessern.
Rastertunnelmikroskopie
In der neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, wurde zum ersten Mal nachgewiesen, dass konkurrierende chemische Reaktionsergebnisse durch die atomare Auflösung eines Rastertunnelmikroskops (STM) beeinflusst werden können.
Herkömmliche Mikroskope verwenden Licht und Linsen, um Proben zu vergrößern, so dass wir sie mit dem bloßen Auge oder einer Kamera betrachten können. Wenn es jedoch um Atome und Moleküle geht, die kleiner sind als die kürzesten Wellenlängen des sichtbaren Lichts, greifen die herkömmlichen Methoden zu kurz.
Um diese winzigen Bereiche zu erforschen, greifen Wissenschaftler auf ein Rastertunnelmikroskop zurück, das ähnlich wie ein Plattenspieler funktioniert.
Mit einer Spitze, die so fein wie ein einzelnes Atom sein kann, bewegen sich Rastertunnelmikroskope über die Oberfläche eines Materials und messen Eigenschaften wie den elektrischen Strom, um jeden Punkt zu erfassen. Allerdings drückt sich die Spitze nicht wie die Nadel eines Plattenspielers in die Oberfläche, sondern schwebt nur eine einzige Atombreite über ihr.
Wenn sie an eine Stromquelle angeschlossen wird, wandern Elektronen an der Spitze hinunter und machen einen Quantensprung über die atomgroße Lücke. Je näher die Spitze an der Oberfläche ist, desto stärker ist der Strom; je weiter sie entfernt ist, desto schwächer ist der Strom. Diese klar definierte Beziehung zwischen Spitzenabstand und Stromstärke ermöglicht es dem Mikroskop, die Oberfläche des Atoms oder Moleküls anhand der elektrischen Stromstärke zu messen und abzubilden. Während die Spitze über die Oberfläche streicht, erstellt sie ein präzises, zeilenweises Bild der Oberfläche und enthüllt Details, die für herkömmliche Lichtmikroskope unsichtbar sind.
Einzelmolekül-Reaktionen
Mit der atomaren Präzision eines Rastertunnelmikroskops können Wissenschaftler nicht nur die Oberfläche eines Moleküls abbilden, sondern auch einzelne Atome und Moleküle neu positionieren und die Wahrscheinlichkeit bestimmter Reaktionswege in einzelnen Molekülen beeinflussen und messen.
Dr. Kristina Rusimova, die Leiterin der Studie, erklärte: "Normalerweise wird die STM-Technologie eingesetzt, um einzelne Atome und Moleküle neu zu positionieren und so gezielte chemische Wechselwirkungen zu ermöglichen, doch die Fähigkeit, Reaktionen mit konkurrierenden Ergebnissen zu steuern, blieb eine Herausforderung. Diese unterschiedlichen Ergebnisse treten mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten auf, die von der Quantenmechanik bestimmt werden - ähnlich wie bei einem molekularen Würfelwurf.
"Unsere neuesten Forschungsergebnisse zeigen, dass STM die Wahrscheinlichkeit von Reaktionsergebnissen durch selektive Manipulation von Ladungszuständen und spezifischen Resonanzen durch gezielte Energiezufuhr steuern kann.
Dr. Peter Sloan, leitender Dozent am Fachbereich Physik und Mitautor der Studie, sagte: "Wir haben die STM-Spitze verwendet, um Elektronen in Toluolmoleküle zu injizieren, was zum Aufbrechen chemischer Bindungen und entweder zu einer Verschiebung zu einer nahe gelegenen Stelle oder zur Desorption führt.
"Wir fanden heraus, dass das Verhältnis dieser beiden Ergebnisse von der Energie der injizierten Elektronen gesteuert wurde. Diese Energieabhängigkeit ermöglichte es uns, die Wahrscheinlichkeit jedes Reaktionsergebnisses durch gezieltes "Aufheizen" eines molekularen Zwischenzustands zu kontrollieren, wobei wir uns an präzisen Energieschwellen und molekularen Barrieren orientieren konnten."
Der Doktorand Pieter Keenan, Erstautor der Forschungspublikation, sagte: "Der Schlüssel lag darin, identische Ausgangsbedingungen für die Testreaktionen beizubehalten - die genaue Injektionsstelle und den Anregungszustand - und dann die Ergebnisse allein auf der Grundlage der Energie der injizierten Elektronen zu variieren.
"Innerhalb der Reaktion eines einzelnen Moleküls auf den Energieeintrag treiben die unterschiedlichen Reaktionsbarrieren die Reaktionswahrscheinlichkeiten an. Wenn wir nur den Energieeintrag verändern, können wir mit hoher Präzision ein Reaktionsergebnis wahrscheinlicher machen als ein anderes - auf diese Weise können wir 'die molekularen Würfel laden'."
Professor Tillmann Klamroth von der Universität Potsdam in Deutschland fügte hinzu: "Diese Studie kombiniert fortschrittliche theoretische Modellierung mit experimenteller Präzision und führt zu einem bahnbrechenden Verständnis der Reaktionswahrscheinlichkeiten auf der Grundlage der molekularen Energielandschaft. Dies ebnet den Weg für weitere Fortschritte in der Nanotechnologie".
Mit Blick auf die Zukunft sagte Dr. Rusimova: "Mit Anwendungen sowohl in der Grundlagen- als auch in der angewandten Wissenschaft stellt dieser Fortschritt einen wichtigen Schritt in Richtung vollständig programmierbarer molekularer Systeme dar. Wir gehen davon aus, dass Techniken wie diese neue Grenzen in der molekularen Fertigung eröffnen und die Türen für Innovationen in der Medizin, der sauberen Energie und darüber hinaus öffnen werden."
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
Holen Sie sich die Chemie-Branche in Ihren Posteingang
Ab sofort nichts mehr verpassen: Unser Newsletter für die chemische Industrie, Analytik, Labor und Prozess bringt Sie jeden Dienstag und Donnerstag auf den neuesten Stand. Aktuelle Branchen-News, Produkt-Highlights und Innovationen - kompakt und verständlich in Ihrem Posteingang. Von uns recherchiert, damit Sie es nicht tun müssen.
