Chemie mesoskopischer Systeme

Wie Licht die Zähne putzt, Tumore tötet und Elektronen in "Optischen Computern" durch Nanodrähte treibt.

Professor Dr. Rüdiger Faust befaßt sich am Institut für Chemie des Fachbereichs Naturwissenschaften der Universität Kassel sowie am CINSaT mit mesoskopischen Systemen.

Die Ideen sind faszinierend: Licht wird umgewandelt in „chemische Energie“, regt Luftsauerstoff zu chemischen Wechselwirkungen an, so daß Krebszellen durch Oxidation zerstört oder bakterieller Zahnbefall entfernt werden. Oder aber das Licht erzeugt in Molekülsystemen, die aus starren Kohlenstoffstäbchen aufgebaut sind, eine elektrische Spannung, so daß die Stäbchen zu elektrisch leitenden Nanodrähten werden. Schaltprozesse wie jene im Computer werden auf diese Weise um ein Vielfaches schneller, elektronische Bauteile wie Transistoren lassen sich deutlich miniaturisieren und flexibler produzieren. Mit Herausforderungen wie diesen beschäftigt sich am Institut für Chemie der Universität Kassel innerhalb des wissenschaftlichen Zentrums CINSaT (Center for Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology) Professor Dr. Rüdiger Faust.

Nach dem Studium der Chemie in Dortmund und der Promotion an der University of California in Berkeley, war Faust Postdoc an der ETH Zürich und an der Universität Heidelberg. 1998 folgte er einem Ruf als Senior Lecturer in Chemistry an das University College London. Seit September 2003 ist Faust als Professor für mesoskopische Systeme in Kassel und Mitglied des CINSaT. Die von Faust untersuchten mesoskopischen Systeme bestehen aus mittelgroßen Molekülen von einigen Nanometern Durchmesser, deren Größe zwischen der von Makromolekülen und der von Molekülen liegt, die nur aus wenigen Atomen bestehen. Faust und sein Team arbeiten daran, auf der Basis von Kohlenstoff chemische Verbindungen zu synthetisieren, die mit Licht auf eine ganz besondere Weise wechselwirken. Mit diesen Verbindungen soll es gelingen, Lichtenergie auf andere Stoffe zu übertragen, Licht als Signal
weiterzuleiten, chemische oder physikalische Prozesse auszulösen und zu steuern, oder auch elektrische Spannungen zu erzeugen.

Licht kann chemisch nutzbar gemacht werden

Trifft Licht zum Beispiel auf eines der von Faust speziell entwickelten Moleküle, nimmt dieses Molekül Lichtenergie auf. Der Energieüberschuß des Moleküls kann entweder über Schwingungen in Wärme umgewandelt werden. Er wird dann nahezu wirkungslos verpuffen. Der Energieüberschuß kann aber
auch auf andere Moleküle oder Molekülteile übertragen und so chemisch nutzbar gemacht werden.

Sauerstoff zum Beispiel kann durch Wechselwirkung mit den von Faust entwickelten Molekülen jenen Energieüberschuß aufnehmen, den das Licht dort erzeugt hat. Der gewöhnliche Sauerstoff wird auf diese Weise zu reaktivem Sauerstoff. Diese energiereiche Form des Sauerstoffs geht Verbindungen ein, die „normaler“ Sauerstoff nicht einginge. Wenn Sauerstoff mit einem anderen Stoff reagiert, tritt eine Oxidation ein, die einen Abbauprozess einleiten kann, ähnlich wie man ihn aus Verbrennungsreaktionen kennt. Unerwünschte Moleküle, wie jene von Krebsgeschwüren oder kariösem Zahnbefall, aber auch Ablagerungen im Gefäßsystem des Menschen lassen sich auf diese Weise zerstören, sofern sich die synthetisierten Wirkstoffmoleküle, der Sauerstoff, und das Licht, als der Auslöser des chemischen Prozesses, an jene Stelle bringen lassen, wo die Lichtenergie den chemischen Prozess auslösen soll. Das Zusammenwirken der drei Komponenten Wirkstoff, Licht und Sauerstoff nennt man einen photodynamischen Prozess.

Schwierig wird es, wenn das Licht nicht zum Wirkstoff vordringen kann, etwa weil ein Tumor – wie das häufig der Fall ist – gut durchblutet ist, und das Blut das Licht absorbiert, es regelrecht schluckt. Oder aber wenn die Farbigkeit des Wirkstoffs, eben jener synthetisierten Moleküle, ästhetisch unerwünscht ist. Diese Problematik tritt etwa bei einer wirkstoffimprägnierten Zahnpasta auf, die, verrieben mit einer „Lichtbürste“, über Photoabbaureaktionen die Zähne antibakteriell reinigen soll. Darum arbeitet Faust an Wirkstoffen, die mit Licht jenseits des sichtbaren Spektrums reagieren. Faust nimmt den Wirkstoffen die Farbigkeit und macht sie unsichtbar. Denn Farbigkeit ist nichts anderes als die Reflexion von Licht einer bestimmten sichtbaren Wellenlänge – Ein für den Betrachter rotes Auto reflektiert aus dem gesamten Spektrum des weißen Lichts eben nur das für unser Auge sichtbare rote Licht.

Faust synthetisiert komplexe Moleküle, die mit Infrarotlicht wechselwirken. Dieses Licht ist für das menschliche Auge nicht sichtbar. Die Wirkstoffe, wie die in der Zahnpasta, erscheinen daher farblos. Da deutlich weniger Substanzen mit Infrarotlicht wechselwirken, kann diese Strahlung tiefer in die Materie eindringen und erreicht Schichten, die für sichtbares Licht nicht ohne weiteres zugänglich sind. So läßt sich mit infrarotem Licht das Tumorgewebe erreichen, obwohl es von rotem (!) Blut umströmt wird. Faust nutzt zudem den Vorteil, daß langwelligeres Licht energetisch ärmer ist, diese Prozesse also einen geringeren, schonenderen Energieeinsatz erfordern. Dadurch treten weniger unerwünschte Nebeneffekte auf, da das Licht nur seine Arbeit mit den speziell darauf eingestellten Molekülen verrichtet.

Um diese Ziele zu erreichen „dekorieren“ die Chemiker um Faust Farbstoffe auf eine Weise, daß sie Strahlung im infrarotnahen Bereich aufnehmen können. Hier haben sich Kohlenstoff-Stäbchen bewährt, in denen zwei Kohlenstoff-Atome wie im Acetylen-Molekül über eine starre Dreifachbindung miteinander verbunden sind. Werden Moleküle mit dieser Bindungsstruktur von einem Lichtimpuls getroffen, werden sie diesen Energieüberschuß wegen ihrer starren Struktur, nicht so leicht durch unproduktive Schwingungen (i. e. Wärme) wieder los, sondern können ihn besser auf andere Moleküle – etwa auf den Sauerstoff – übertragen.

In den Syntheselaboratorien werden Nanostrukturen hergestellt (A und B) und aufgereinigt (C).

Die Kohlenstoff-Stäbchen, die etwa 0,1 Nanometer lang sind, haben zwei Enden. Eines dient zur Anbindung an die Farbstoffmoleküle. Das andere aber, markiert als R, läßt sich nutzen, um die physikalischen Eigenschaften des Wirkstoffs, zu verändern, zu modulieren. So lassen sich die Lösungseigenschaften – etwa in Wasser oder eher in fettähnlichen Lösemitteln – gezielt auf die Bedürfnisse des Anwenders einstellen. Ebenso läßt sich ausgehend vom zweiten Ende der Stäbchen eine schützende Hülle um den Wirk- oder Farbstoff bauen. Faust befaßt sich zum Beispiel mit der Herstellung von Dendrimeren, wiederholt aneinandergereihten, verästelten Molekülstrukturen, deren exponentielles Wachstum dem Gesamtmolekül eine Kugelform gibt, in deren Innern der Wirkstoff eingebettet ist. Die engmaschige Struktur der äußeren Hülle schützt den Farb- oder Wirkstoff im Inneren, läßt aber zugleich Licht und Sauerstoff durch, um den photodynamischen Prozess auszulösen.

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