Durchbruch: Wissenschaftler entwickeln künstliche Moleküle, die sich wie echte verhalten

Emil Sierda, der für die Durchführung der Experimente an der Radboud-Universität verantwortlich war: „Vor ein paar Jahren hatten wir diese verrückte Idee, einen Quantensimulator zu bauen. Wir wollten künstliche Moleküle schaffen, die echten Molekülen ähneln. Deshalb haben wir ein System entwickelt, in dem wir Elektronen einfangen können. „Elektronen umgeben ein Molekül wie eine Wolke, und wir haben diese gefangenen Elektronen genutzt, um ein künstliches Molekül zu bauen.“ Die Ergebnisse, die das Team erzielte, waren erstaunlich. Sierda: „Die Ähnlichkeit zwischen dem, was wir gebaut haben, und echten Molekülen war unheimlich.“

Moleküle verändern

Alex Khajetoorians, Leiter der Abteilung Rastersondenmikroskopie (SPM) am Institut für Moleküle und Materialien der Radboud-Universität: „Moleküle herzustellen ist schon schwierig genug.“ „Was oft schwieriger ist, ist zu verstehen, wie bestimmte Moleküle reagieren, zum Beispiel wie sie sich verändern, wenn sie verdreht oder verändert werden.“ Wie sich Moleküle verändern und reagieren, ist die Grundlage der Chemie und führt zu chemischen Reaktionen, wie der Bildung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff. „Wir wollten Moleküle simulieren, um über das ultimative Toolkit zu verfügen, um sie auf eine Weise zu biegen und abzustimmen, die mit echten Molekülen nahezu unmöglich ist.“ „Auf diese Weise können wir etwas über echte Moleküle sagen, ohne sie herzustellen oder uns mit den Herausforderungen auseinandersetzen zu müssen, die sie mit sich bringen, wie etwa ihrer sich ständig ändernden Form.“

Benzol

Mit diesem Simulator erstellten die Forscher eine künstliche Version eines der grundlegenden organischen Moleküle der Chemie: Benzol. Benzol ist die Ausgangskomponente für eine Vielzahl von Chemikalien, wie zum Beispiel Styrol, das zur Herstellung von Polystyrol verwendet wird. Khajetoorianer: „Durch die Herstellung von Benzol haben wir ein organisches Molekül wie aus dem Lehrbuch simuliert und ein Molekül aufgebaut, das aus Elementen besteht, die nicht organisch sind.“ Darüber hinaus sind die Moleküle zehnmal größer als ihre echten Vorbilder, was die Arbeit mit ihnen erleichtert.

Praktische Anwendungen

Die Einsatzmöglichkeiten dieser neuen Technik sind endlos. Daniel Wegner, Assistenzprofessor in der SPM-Abteilung: „Wir haben gerade erst begonnen, uns vorzustellen, wofür wir das nutzen können.“ „Wir haben so viele Ideen, dass es schwer ist, zu entscheiden, wo wir anfangen sollen.“ Durch die Verwendung des Simulators können Wissenschaftler Moleküle und ihre Reaktionen viel besser verstehen, was in allen erdenklichen wissenschaftlichen Bereichen hilfreich sein wird. Wegner: „Neue Materialien für zukünftige Computerhardware sind zum Beispiel wirklich schwer herzustellen.“ Durch die Erstellung einer simulierten Version können wir nach neuartigen Eigenschaften und Funktionalitäten bestimmter Moleküle suchen und beurteilen, ob es sich lohnt, das echte Material herzustellen.“ In ferner Zukunft könnte alles Mögliche möglich sein: chemische Reaktionen Schritt für Schritt wie in einem Zeitlupenvideo zu verstehen oder künstliche elektronische Geräte aus Einzelmolekülen herzustellen, wie etwa die Verkleinerung eines Transistors auf einem Computerchip. Es wird sogar vorgeschlagen, dass Quantensimulatoren als Quantencomputer funktionieren. Sierda: „Aber das ist noch ein langer Weg, denn jetzt können wir damit beginnen, Moleküle auf eine Weise zu verstehen, die wir noch nie zuvor verstanden haben.“