Moleküle so einfach binden wie Schnürsenkel

Knoten sind überall um uns herum: in Computerkabeln, Kopfhörern und Drähten. Aber obwohl sie lästig sein können, sind sie auch sehr nützlich, wenn es darum geht, die Schnürsenkel zu binden oder wenn man segeln geht. In der Mathematik gibt es nicht weniger als sechs Milliarden verschiedene potenzielle Knoten, aber wie sieht es mit Knoten in der Chemie aus? Seit den 1970er Jahren versuchen Wissenschaftler, Moleküle miteinander zu verknoten, um neue, maßgeschneiderte mechanische Eigenschaften zu schaffen, aus denen neue Materialien entstehen sollen. Die ersten Erfolge fanden zwanzig Jahre später statt, aber der Prozess ist nach wie vor mühsam. Nun haben Forscher der Universität Genf (UNIGE), Schweiz, eine einfache und effektive Technik zum Binden von Knoten in Molekülen entwickelt und zum ersten Mal die Veränderungen der Eigenschaften beobachtet, die sich aus diesen Verflechtungen ergeben. Die Ergebnisse, über die Sie in der Zeitschrift Chemistry – A European Journal lesen können, eröffnen neue Perspektiven für die Gestaltung von Materialien und den molekularen Informationstransfer.

Knoten sind sicherlich nützlich. Aber wie sieht es in der Chemie aus? Ist es möglich, Moleküle miteinander zu verbinden? Die Idee tauchte erstmals 1971 auf, mit dem Ziel, neue Materialien zu schaffen, die durch die Veränderungen der mechanischen und physikalischen Eigenschaften, die sich aus diesen Verflechtungen ergeben würden, hervorgerufen werden. Aber erst 1989 gelang es Jean-Pierre Sauvage, dem französischen Chemie-Nobelpreisträger 2016. Wissenschaftler haben in der Folge hart daran gearbeitet, Knoten zu bilden, aber es bleibt eine Herausforderung: „Um Moleküle miteinander zu verbinden, muss man Metalle verwenden, die sich an die Moleküle anlagern und sie auf einen ganz bestimmten Weg lenken, der die für die Knotenbildung erforderlichen Schnittpunkte bildet“, erklärt Fabien Cougnon, Forscher in der Abteilung für Organische Chemie an der Fakultät für Naturwissenschaften der UNIGE. „Aber es ist ein komplexer Prozess, der oft zu einem Verlust von über 90% an Rohmaterial führt! Die daraus resultierende Menge an molekularen Knoten beträgt typischerweise nur wenige Milligramm, nicht genug, um neue Materialien herzustellen.

Hydrophobe Moleküle, die sich von selbst zusammenbinden

Die Chemiker der UNIGE haben eine neue Technik entwickelt, die es ermöglicht, auf einfache Weise verschachtelte Moleküle zu erzeugen. „Wir verwenden Fettmoleküle, die wir in 70 Grad heißem Wasser einweichen. Da sie hydrophob sind, versuchen sie um jeden Preis, dem Wasser zu entkommen, indem sie sich zusammensetzen und durch Selbstorganisation einen Knoten bilden“, sagt Tatu Kumpulainen, Forscher in der Abteilung für Physikalische Chemie an der UNIGE-Fakultät für Naturwissenschaften.

Dank dieser neuen Technik können die Genfer Chemiker mühelos und – noch wichtiger – ohne Materialverlust molekulare Knoten herstellen. „Wir wandeln bis zu 90 % der Grundreagenzien in Knoten um, was bedeutet, dass wir eine echte Analyse der durch die Knoten hervorgerufenen Änderungen der mechanischen Eigenschaften in Betracht ziehen können, die noch nie zuvor durchgeführt wurde“, bemerkt Cougnon. Obwohl sie sich nicht aussuchen können, wie die Moleküle miteinander verknotet werden, sind sie in der Lage, den gleichen Knoten beliebig zu reproduzieren, da die gleiche chemische Struktur in wässriger Umgebung immer einen identischen Knoten bilden wird.

Jeder Knoten hat seine eigenen mechanischen Eigenschaften

Was können wir jetzt, da das Knüpfen von Molekülen leicht geworden ist, mit diesen Knoten machen? Ist es sinnvoll, sie zu bilden? Um die Wirkung der Stellwerke zu überprüfen, wählten die Genfer Chemiker eine Familie von Molekülen, die alle gleich aufgebaut sind: Sie absorbieren Ultraviolettes, sind fluoreszierend und reagieren sehr empfindlich auf die allgemeine Umgebung, insbesondere auf das Vorhandensein von Wasser. „Wir haben vier Knoten geschaffen, vom einfachsten bis zum komplexesten (0, 2, 3 und 4 Schnittpunkte), die wir mit einem Referenzmolekül verglichen haben, das ihre Basis bildet“, erklärt Cougnon. „Dazu haben wir zunächst die kernmagnetische Resonanz (NMR) genutzt, um die Steifigkeit der verschiedenen Teile der Knoten sowie die Geschwindigkeit und die Art und Weise ihrer Bewegung relativ zueinander zu beobachten. Die Wissenschaftler stellten eine erste Veränderung der mechanischen Eigenschaften fest: Je komplexer die Knoten sind, desto weniger bewegen sie sich.

Die Chemiker verwendeten anschließend die Spektroskopie, um die Spektren der vier Knoten miteinander zu vergleichen. „Wir stellten bald fest, dass sich die lockereren Einzelknoten (0 und 2 Schnittpunkte) genauso verhalten wie das Referenzmolekül“, fährt Kumpulainen fort. „Aber wenn die Knoten komplexer sind, haben die Moleküle – die enger waren – ihre physikalischen Eigenschaften und ihre Farbe verändert! Ihre Art, Licht zu absorbieren und zu emittieren, unterschied sich von der des Referenzmoleküls“. Diese Farbänderung bedeutet, dass die Wissenschaftler die für jede Baugruppe spezifischen mechanischen Eigenschaften sichtbar machen können, sei es die Elastizität, die Struktur, die Bewegung oder die Position.

Erstmals haben die Genfer Chemiker gezeigt, dass verknotete Moleküle die mechanischen Eigenschaften verändern. „Wir wollen diese Veränderungen nun von A bis Z kontrollieren können, damit wir diese Knoten zum Beispiel als Indikatoren für die Eigenschaften der Umwelt verwenden können“, sagt Kumpulainen. Sie planen auch die Entwicklung neuer Materialien, wie z.B. Gummibänder, unter Verwendung der Knotennetze, da es bei der Herstellung der Knotenpunkte keinen Materialverlust gibt. „Endlich können wir die Übertragung von Informationen innerhalb eines Knotens in Betracht ziehen, dank einer einfachen Positionsänderung an einem Teil des Knotens, der sich in der gesamten Struktur widerspiegelt und die Informationen vermittelt“, schließt Cougnon.