Neue Einblicke mit spezieller Laser-Messapparatur

Mit einer neuartigen, selbst entwickelten Messapparatur erzielten WissenschaftlerInnen der Universität Siegen neue Einblicke in eine besondere Art von Molekül-Verbindungen.

Das völlig unterschiedliche Aroma von Minze und Kümmel wird von ein- und demselben Molekül verursacht. Das Besondere daran: Dieses Molekül existiert in zwei Formen, die chemisch identisch sind, sich aber wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten und daher im Körper an unterschiedliche Geruchsrezeptoren andocken. Haben Moleküle oder Molekül-Verbindungen eine solche zweite, spiegelbildliche Form, so bezeichnet man das in der Fachsprache auch als „Chiralität“. WissenschaftlerInnen der Universität Siegen ist es gelungen, dem Ursprung dieses Phänomens auf den Grund zu gehen. Sie haben dazu eine neuartige Laser-Messapparatur entwickelt. Die Ergebnisse ihrer Messungen wurden jetzt in der internationalen Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

„Chirale Moleküle haben einzigartige Eigenschaften, die sie für viele Materialanwendungen interessant machen“, sagt Prof. Dr. Kawon Oum aus dem Forschungsteam der Physikalischen Chemie 2 an der Universität Siegen. Ein Beispiel sind so genannte Polymer-Dünnschichten, also größere Verbindungen von Molekülen, die „chirales Licht“ aussenden und erkennen können –– je nachdem, ob das chirale Licht links- oder rechtsdrehend ist. „Mit solchen chemischen Strukturen könnte man in Zukunft zum Beispiel Computer-Displays einfacher herstellen als bisher. Auch als zusätzliche Sicherheits-Marker auf Geldscheinen wären sie denkbar“, erklärt Prof. Dr. Thomas Lenzer.

Mehr über die Eigenschaften solcher besonderen Molekül-Verbindungen zu erfahren, um zum Beispiel die Stärke der Chiralität in Zukunft gezielt steuern zu können, war ein Ziel der ChemikerInnen. „Eine ungeklärte Frage in diesem Zusammenhang war, ob die Chiralität eine Eigenschaft der einzelnen Moleküle ist – oder ob sie auf die Art und Weise zurückzuführen ist, wie die Molekül-Ketten innerhalb der Dünnschicht angeordnet sind“, erläutern Doktorand Marius Morgenroth und Nachwuchsgruppen-Leiter Dr. Mirko Scholz.

Um chemische Reaktionen von chiralen Verbindungen optisch verfolgen zu können, hat das Siegener Team zunächst einen speziellen Aufbau für die Mikroskopie entwickelt. Das Herzstück war jedoch das Design einer neuen Laser-Messapparatur, die hinsichtlich ihrer Zeitauflösung und spektralen Abdeckung bisher so noch nicht verfügbar war. „Mit dieser Neuentwicklung können wir chemische Prozesse sichtbar machen, die in unvorstellbar kurzen Zeiteinheiten ablaufen“, erklärt Prof. Lenzer – und meint damit so genannte ‚Femto‘-Sekunden: „Eine Femto-Sekunde verhält sich zu einer Sekunde, wie eine Sekunde – oder auch ein Herzschlag – zu 32,7 Millionen Jahren.“

Mit dieser neuen und hochsensiblen Messtechnik konnten die Siegener WissenschaftlerInnen den Ursprung der Chiralität in den untersuchten Verbindungen klar nachweisen: Die Messungen haben gezeigt, dass dieses besondere Phänomen nicht auf die Beschaffenheit einzelner Moleküle zurückzuführen ist, sondern auf die Art und Weise, wie die Molekül-Ketten in den Verbindungen oder Dünnschichten angeordnet sind. „Die chirale Anordnung der Schichten kann man sich wie einen Stapel Toastbrot-Scheiben vorstellen, bei dem jede Scheibe regelmäßig um einen kleinen Winkel gegen die darunter liegende verdreht ist“, erklärt Marius Morgenroth. „Je nachdem, in welche Richtung man die Scheiben verdreht, bekommt man eine rechts- oder linksdrehende Spirale, die sich spiegelbildlich zu ihrem Gegenüber verhält. Über die Zahl der Stapel kann man die Stärke der Chiralität steuern.“

Unterstützung für ihre Forschungsarbeit haben die Siegener ChemikerInnen aus Südkorea bekommen: Die Korea-Universität in Seoul stellte ihnen die chiralen Molekül-Ketten zur Verfügung, aus denen anschließend in Siegen die Dünnschichten für die Messungen hergestellt wurden. Finanzielle Unterstützung erhält das Team außerdem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), die die Forschung zu Bild-Spiegelbild-Verhalten in Molekülen an der Universität Siegen schon seit mehr als vier Jahren fördert. „Wir möchten unsere Arbeit in diesem Bereich auf jeden Fall fortsetzen“, sagen Prof. Oum und Prof. Lenzer. „Ein Traum dabei ist es, unsere Messmethoden noch empfindlicher zu machen. Dann könnte es uns gelingen, anhand von Änderungen der Chiralität ultraschnelle Strukturveränderungen während einer chemischen Reaktion direkt zu verfolgen. Daraus könnte sich in Zukunft eine Alternative zu zeitaufgelösten Röntgenmethoden entwickeln.“

Die Veröffentlichung in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ finden Sie hier

Kontakt:
Prof. Dr. Kawon Oum und Prof. Dr. Thomas Lenzer
Department Chemie und Biologie
Telefon: 0271-740 2803
E-Mail: oum@chemie.uni-siegen.de, lenzer@chemie.uni-siegen.de

Mit ihren Messungen konnten die ChemikerInnen den Ursprung der Chiralität in Molekül-Verbindungen nachweisen: Er geht auf die spiralförmige, rechts- oder linksdrehende Anordnung der einzelnen Polymerschichten zurück. Chirale Kunstwerke auf dem Adolf-Reichwein-Campus der Universität Siegen illustrieren dieses Prinzip. 

Viele Fragen und endlich eine Antwort

Zwei Physiker der Uni Siegen erhalten gemeinsam mit einem Kollegen aus China für eine wegweisende Arbeit den Paul-Ehrenfest-Preis. Mit dem Preis wird jedes Jahr die weltweit beste Publikation im Bereich der Quantenphysik ausgezeichnet.

Großer Erfolg für Physiker der Universität Siegen: Für den Beweis einer 25 Jahre alten Vermutung im Bereich der Quantenphysik erhalten Dr. Zhen-Peng Xu und seine Co-Autoren Prof. Dr. Otfried Gühne und Prof. Dr. Jing-Ling Chen aus Tianjin/China den Paul-Ehrenfest-Preis. Das Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien zeichnet damit jährlich die international beste Publikation über Grundlagenprobleme der Quantenphysik aus. Paul Ehrenfest (1880-1933) war ein österreichischer Physiker und Freund von Albert Einstein, der bahnbrechende Resultate über die Quantenphysik erzielte.

Im Frühjahr wird Zhen-Peng Xu den Preis in Wien entgegennehmen. Xu ist Stipendiat der Alexander-von-Humboldt-Stiftung und forscht an der Uni Siegen in der Arbeitsgruppe „Theoretische Quantenoptik“ von Prof. Gühne. In ihrer preisgekrönten Veröffentlichung haben sich die Physiker mit einem grundlegenden Phänomen beschäftigt, das in der Fachwelt auch als „Quantenkontextualität“ bekannt ist. Es besagt, dass man sich davor hüten sollte, von möglichen Mess-Resultaten zu sprechen, wenn man eine Messung nicht tatsächlich durchgeführt hat.

„In vielen Alltagssituationen, zum Beispiel in der Schule oder bei der Führerscheinprüfung, geht es darum, Fragen zu stellen oder zu beantworten“, erklärt Zhen-Peng Xu. „Zu einer Frage gehört dabei immer auch eine eindeutige Antwort. Diese Antwort existiert unabhängig davon, ob die Frage tatsächlich gestellt wurde, oder nicht.“ Außerhalb der Quantenphysik erscheint das logisch – der Kanadier Simon Kochen und der Schweizer Ernst Specker zeigten jedoch schon vor über 50 Jahren, dass die Quantenphysik anders funktioniert: Die Physiker konstruierten einen Satz von 117 Messungen, die als Fragen an ein physikalisches System verstanden werden können. Nimmt man dann jedoch an, dass all diese Fragen eindeutige und vorherbestimmte Antworten haben, so ergibt sich ein Widerspruch.

Das Originalargument von Kochen und Specker ist kompliziert, weshalb in den Folgejahren viele Physiker und Mathematiker versuchten, einfachere Argumente zu finden. Im Jahr 1996 fand der spanische Physiker Adán Cabello schließlich einen Beweis, der statt 117 nur 18 Messungen, beziehungsweise Fragen benötigte. Doch ist das bereits der einfachste Beweis? Oder ist es eventuell auch mit noch weniger Messungen möglich, einen Widerspruch der Quantenphysik zum klassischen, „gesunden Menschenverstand“ nachzuweisen?  Dies blieb offen und konnte trotz intensiver Forschungen nicht gezeigt werden.

Den Physikern um Dr. Zhen-Peng Xu gelang es nun jedoch zu beweisen, dass kein einfacheres Argument möglich ist. Der Trick des Siegener Forschers bestand darin, das Problem in die Sprache der Graphentheorie zu übersetzen: Die 18 Fragen werden dabei als graphisches Schaubild dargestellt, bei dem verschiedene Gruppen von Knotenpunkten nach bestimmten Regeln miteinander verbunden sind. „Zhen-Peng Xu hatte die schöne Idee, die Graphentheorie mit Methoden der Optimierung zu verbinden, um das alte Problem neu anzugehen. Durch seine Resultate können wir nun die einfachsten Situationen untersuchen, in denen ‚Quantenkontextualität‘ vorkommt. Damit können wir zum Beispiel klären, in welchen Fällen sie der Grund dafür ist, dass Quantencomputer schneller sind, als klassische Computer“, freut sich Arbeitsgruppenleiter Prof. Gühne.

Die Publikation „Proof oft he Peres Conjecture for Contextuality”  ist in der Fachzeitschrift “Physical Review Letters” veröffentlicht worden.

Kontakt:
Prof. Dr. Otfried Gühne
Leiter der Arbeitsgruppe Theoretische Quantenoptik
E-Mail: otfried.guehne@uni-siegen.de
Tel.: 0271-740 3707

Deutsch-chinesisches Team erforscht Bildung von Chitin

Der Siegener Molekularbiologe Hans Merzendorfer und die Agrarwissenschaftlerin Quing Yang aus Peking leiten ein gemeinsames Forschungsprojekt, das Ansätze für die Entwicklung von umweltfreundlichen Insektiziden liefern kann.

Das Exoskelett von Insekten ist als äußerst widerstandsfähige Struktur bekannt, die durch Chitinfibrillen verstärkt wird. Aufgrund der besonderen Eigenschaften der Chitinfibrillen, werden diese bereits seit längerem für zahlreichen Anwendungen in der Medizin und Technik erforscht. Allerdings ist bislang wenig bekannt, wie genau die Chitinfibrillen von den Insekten produziert werden. Dieser Frage geht nun ein deutsch-chinesisches Team von ForscherInnen nach, das von Dr. Hans Merzendorfer, Professor für Molekularbiologie an der Universität Siegen und Professorin Qing Yang von der Nationalen Akademie für Agrarwissenschaften in Peking geleitet wird.

Chitin ist ein Zuckerpolymer und wird durch ein bestimmtes Enzym, das in den Hautzellen der Insekten zu finden ist, aus einzelnen Zuckerbausteinen zusammengesetzt. Die fertige Zuckerkette wird dabei durch einen Kanal des Enzyms aus den Zellen geschleust, danach geschnitten und weiter chemisch verändert. Schließlich lagern sich etwa 20 dieser Zuckerketten zu einer Chitin-Nanofibrille zusammen, die mit weiteren dieser Nanofibrillen mit Hilfe von Proteinen gebündelt werden. Die daraus resultierenden Chitinfibrillen werden zu Schichten zusammengefügt und diese übereinandergestapelt, so dass komplexe dreidimensionale Strukturen entstehen, die extremsten Belastungen wiederstehen können.

In dem Forschungsprojekt gehen die WissenschaftlerInnen der Frage nach, wie genau Chitin produziert, geschnitten und chemisch modifiziert wird. Dabei testen sie die Hypothese, dass sich alle beteiligten Enzyme zu großen Superkomplexen zusammenlagern, die es erlauben, die einzelnen Schritte effizient und koordiniert durchzuführen.

Die erwarteten Ergebnisse werden nicht nur neue Erkenntnisse über die Chitinbiosynthese bei Insekten hervorbringen, sondern auch potenzielle Angriffspunkte für die Entwicklung neuer umweltfreundlicher Insektizide aufzeigen. Das Projekt, in dem mehrere Doktorandinnen und Doktoranden arbeiten werden, wird gemeinsam von der Nationalen Stiftung für Naturwissenschaften Chinas (NFSC) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für zunächst drei Jahre gefördert.

Kontakt:
Prof. Dr. Hans Merzendorfer
Institut für Biologie
Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät
Tel. 0271/740-3917
hans.merzendorfer@uni-siegen.de