Auf den richtigen Dreh kommt es an

News: Auf den richtigen Dreh kommt es an

Plastik klingt fast ein bißchen abfällig, doch weil nicht nur die Brotdose, sondern auch hochentwickelte Werkstoffe inzwischen aus Kunststoff hergestellt werden, müßte das eigentlich gar nicht so sein. Dabei ist Plastik nicht gleich Plastik, denn gleiche Bestandteile heißen hier nicht gleiches Material. Dadurch sind die Variationen fast beliebig und Forscher ständig auf der Suche nach neuen Kunststoffen. Einer Gruppe Wissenschaftlern ist es nun gelungen, das erste synthetische Polymer mit helikaler Struktur herzustellen, welches sich um zwei verschiedene Achsen dreht. Die Struktur dieses Moleküls ähnelt der in Proteinen.

Polymere sind lange Kettenmoleküle, die aus kleinen Untereinheiten, den sogenannten Monomeren, aufgebaut sind. Sie können in allen nur denkbaren Variationen hergestellt werden, wobei die Eigenschaften des Kunststoffs nicht nur durch die verschiedenen Herstellungsmethoden variieren, sondern auch durch Kettenlänge und Verzweigung der einzelnen Moleküle. Allerdings können synthetische Polymere trotz ihrer Vielseitigkeit selten von den Vorteilen profitieren, die eine Chiralität der Monomere mit sich bringen würde. Eine solche asymmetrische Struktur der einzelnen molekülbildenden Blöcke könnte die Materialeigenschaften des gebildeten Polymers stark beeinflussen. Ein markantes Beispiel dafür sind Bioplymere, wie DNA und Proteine. Diese sind aus chiralen Einheiten aufgebaut, und die Drehungen, die sie dadurch vollführen sind ein Grund für die große Vielfalt an nützlichen Proteinstrukturen.

Stephen Cheng und seine Kollegen von der University of Akron in Ohio haben sich die Natur zum Vorbild genommen. Sie wollten ein Polymer aus chiralen Monomeren herstellen, das in einer helikalen Struktur kristallisiert. Dabei gingen sie von PET (R*)-9, einem langen, schmalen Molekül aus, das sie ausschließlich in der rechtsdrehenden Form herstellten. Beim Polymerisieren stellten die Wissenschaftler fest, daß sich die Monomere ausnahmslos in eine Richtung verknüpft hatten, denn das entstehende Polymer war lediglich aus Kopf/Schwanz-Verbindungen aufgebaut.

Nachdem das Polymer auskristallisiert war, untersuchten die Wissenschaftler die erhaltenen Kristalle mit einem Elektronenmikroskop. Sie erkannten, daß diese auf zwei verschiedenen Ebenen "verdreht" waren. Der Kristall selber bestand aus einer 2 Mikrometer (millionstel Meter) breiten Helix, die aus vertikal gestapelten Lamellen aufgebaut war. Etwa so wie ein Stapel aus Tausenden von Spielkarten, die so übereinander geschichtet sind, daß die nächste Karte gegenüber der vorherigen immer ein wenig verdreht vorliegt. Jede dieser Lamellen bestand aus 2000 einzelnen, nebeneinander liegenden Einheiten. Dazu hatte sich die Polymerkette in viele einzelne S-Kurven gelegt. Die zweite "Drehungsebene" befand sich innerhalb dieser Lamellen. Die Monomereinheiten lagen nicht ganz parallel nebeneinander, sondern waren zu ihren Nachbarn um 0.01 Grad verdreht. Da eine Lamelle aus 2000 nebeneinander liegenden Einheiten bestand, summiert sich die Drehung jeder Einheit auf eine Gesamtsumme von 20 Grad für jede Lamelle auf (Physical Review Letters vom 29. November 1999).

Diese Verbindung zeigt eine völlig neue Symmetrie und läßt sich keiner bisher bekannten Kristallstruktur zuordnen, betont Cheng. Denn keine der sich immer wiederholenden Einheiten kann in irgendeine Richtung wegrutschen und mit ihre Nachbarn überlappen, ohne daß dafür eine Drehung notwendig wäre. Innerhalb dieses Kristalls fehlt also jegliche Translations-Symmetrie.

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