Komplexe chirale, poröse Nanostrukturen aus einfachen linearen Bausteinen

Muster mit außergewöhnlichen Eigenschaften

In den Mittelpunkt ihrer in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlichten Untersuchungen stellten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen neuen Baustein für zweidimensionale Architekturen: eine chemische Gruppe namens Hydroxamsäure-Gruppe.

Mitarbeitende des Lehrstuhls für Proteomik und Bioanalytik in Freising versahen ein stabförmiges Molekül an beiden Enden mit einer Hydroxamsäuregruppe. Auf atomar glatten Silber- und Goldoberflächen wurden damit dann am Lehrstuhl für Oberflächen- und Grenzflächenphysik in Garching molekulare Nanostrukturen erzeugt.

Eine Kombination aus Mikroskopie, Spektroskopie und dichtefunktionstheoretischen Untersuchungen zeigte, dass der molekulare Baustein seine Form in der Umgebung der Trägeroberfläche und seiner benachbarten Moleküle geringfügig verändert. Dies führt zu einer ungewöhnlichen Vielfalt supramolekularer Oberflächenstrukturen, gebildet aus zwei bis sechs Molekülen, die durch intermolekulare Wechselwirkungen zusammengehalten werden.

Nur eine Handvoll dieser Motive sind in 2-D-Kristallen organisiert. Darunter entstand ein beispielloses Netzwerk, dessen Muster an geschnittene Zitronen, Schneeflocken oder Rosetten erinnern. Es verfügt über drei verschiedene Poren. Die kleinsten wären in der Lage, ein einzelnes, kleines Gasmolekül wie Kohlenmonoxid aufzunehmen, die größten hätten Platz für ein kleines Protein wie Insulin.

"Art und Anzahl unterschiedlicher Poren, die durch diese kristallinen 2-D-Netzwerke hervorgebracht werden, sind ein Novum unter den durch molekulare Nanostrukturen erzielten Mosaikstrukturen“, sagt Anthoula Papageorgiou, Letztautorin der Publikation. „Dieses System bietet einzigartige Möglichkeiten für Bottom-up Nano-Templating, die wir weiter erforschen werden.“

Wie unsere linke und rechte Hand kann die Form zweier spiegelbildlicher Käfigstrukturen nicht überlagert werden. Formen, die so aufgebaut sind, werden nach dem antiken griechischen χείρ (Hand) als "chiral" bezeichnet, aus. Viele Naturstoffe sind chiral und spielen eine entscheidende Rolle für die Biologie.

Unsere Geruchsrezeptoren reagieren beispielsweise sehr unterschiedlich auf die beiden Spiegelbilder des Limonen-Moleküls: Eines riecht nach Zitrone, das andere nach Kiefer. Diese sogenannte chirale Erkennung kann auch darüber entscheiden, ob ein Molekül ein Medikament oder giftig ist.

Die Innenwände der erhaltenen nanostrukturierten Käfige bieten Stellen, an die Gastmoleküle andocken können. In einigen der größeren Poren beobachteten die Forschenden, dass sich drei gleiche Moleküle zu einem chiralen Objekt zusammensetzten. Wie eine Spieluhr-Ballerina ist dieses Objekt bei Raumtemperatur in Bewegung, was zu einem unscharfen Bild führt.

In zukünftigen Arbeiten möchte das Team solche Phänomene weiter erforschen, um sie für die chirale Erkennung und künstliche Nano-Maschinen zu nutzen.