Nano-Jalousie
Helicales Polymer mit Seitengruppen, die "auf Befehl" synchron umklappen
Helicale Polymere sind chiral, und die linke und rechte Variante unterscheiden sich in ihren optischen Eigenschaften, beispielsweise der optischen Aktivität. Gesucht sind Moleküle, deren optische Eigenschaften sich genau kontrollieren - und umschalten lassen. Derartige Materialien eröffnen interessante Perspektiven für neue Datenspeicher, optische Bauteile oder Flüssigkristallanzeigen. Amerikanische Forscher haben nun ein helicales Polymer entwickelt, dessen Seitengruppen sich ähnlich wie eine Jalousie synchron hin und her klappen lassen.
Aus einem nicht chiralen Baustein stellte das Forscherteam um Bruce M. Novak von der North Carolina State University und Prasad L. Polavarapu von der Vanderbilt University ein helicales Polymer her. Durch Einsatz eines chiralen Katalysators gelang es, die Monomere ausschließlich zu Helices mit dem selben Drehsinn zu verknüpfen. Bei Temperaturerhöhung oder einem Wechsel des Lösungsmittels ändert dieses Polymer - reversibel - plötzlich einen Teil seiner optischen Eigenschaften (optische Aktivität und elektronischer Circulardichroismus) - eine andere optische Eigenschaft, der so genannte Vibrations-Circulardichroismus, bleibt wider Erwarten konstant. Was passiert mit dem Molekül? Klappt vielleicht die Drehrichtung der Helix um? Diese Vermutung trifft nicht zu, wie die Forscher nun beweisen konnten. Das Rückgrat des Polymers bleibt so wie es ist. Die einzige Erklärung, die zu den auf den ersten Blick widersprüchlich scheinenden Beobachtungen passt, ist folgende: Das Polymer hat Seitengruppen, die wie kleine flache Flügelchen leicht schräg vom Rückgrat abstehen. Alle "Flügel" drehen sich nun um die Bindung, die sie an das Rückgrat knüpft. Am Ende weisen sie relativ zur Helix in die entgegengesetzte Richtung. Dieser Vorgang läuft völlig synchron ab, analog einer Jalousie, die umgeklappt wird.
Warum löst eine Temperaturerhöhung oder ein Lösungsmittelwechsel dieses Umklappen aus? Die beiden Flügel-Positionen sind nicht gleichwertig. Je nach Polarität des Lösungsmittels wird die eine oder die andere Molekülform stabilisiert. Eine höhere Temperatur begünstigt die energetisch ungünstigere Molekülform, eine niedrigere die energetisch günstigere.
Originalveröffentlichung: B. M. Novak; "A Thermal and Solvocontrollable Cylindrical Nanoshutter Based on a Single Screw-Sense Helical Polyguanidine"; Angewandte Chemie 2005.
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