Nanofasern richten sich in gerührter Flüssigkeit aus.
Dreht sich ein Wirbel in einer gerührten Flüssigkeit links herum oder
rechts herum? Ein Zinkporphyrindendrimer, ein verzweigtes Molekül mit
einem zentralen Zinkatom, kann die Antwort liefern. Wie japanische
Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, ändert
sich die optische Aktivität einer Lösung dieser Substanz rasch, wenn der
Drehsinn beim Rühren umgekehrt wird.
Wirbel in grauer Urzeit könnten dafür verantwortlich gewesen sein,
dass die Symmetrie in der Natur durchbrochen wurde und am Ende ein "händiges"
Leben entstand, das klare Präferenzen für "linke" oder "rechte"
molekulare Bausteine hegt, etwa bei Zuckern und Aminosäuren. Denn
Wirbel in einem Fluid haben, genau wie Schrauben, unsere Haarwirbel
oder Schneckenhäuser, eine klare Drehrichtung - rechts oder links
herum. Sie können sich also zueinander verhalten wie Bild und
Spiegelbild oder die linke zur rechten Hand. So etwas nennt man "händig"
(chiral).
Wirbel sind sehr komplexe Gebilde, die viele Bereiche mit völlig
verschiedenen Strömungsrichtungen umfassen. Wird beispielsweise eine
Flüssigkeit in einer Küvette gerührt, entsteht eine dichte
kreisförmige Drehströmung im Zentrum, während in den äußeren Bereichen
des Wirbels ein lockerer spiraliger Fluss auftritt.
Das Forscherteam um Takuzo Aida und Akihiko Tsuda hat nun ein
Zinkporphyrindendrimer synthetisiert, mit dem diese einzelnen lokalen
Fließbewegungen spektroskopisch sichtbar gemacht werden können. Die
stark verzweigten zinkhaltigen Moleküle aggregieren in Lösung zu
langen Nanofasern. Ist die Lösung ungerührt, ist sie optisch nicht
aktiv. Sobald sie gerührt wird, wird sie optisch aktiv: Die gerührte
Lösung dreht rechts- und linkscircular polarisiertes Licht
unterschiedlich stark. Diese Differenz (Circulardichroismus), für jede
Wellenlänge gemessen, ergibt ein charakteristisches Spektrum. Ändert
sich die Drehrichtung beim Rühren, kehrt sich das Vorzeichen des
Circulardichroismus um. Das Ausmaß des Circulardichroismus nimmt zudem
mit der Rührgeschwindigkeit zu.
Das Phänomen liegt nicht, wie zunächst angenommen, an einer Zwirbelung
der einzelnen Nanofasern. Offensichtlich wird es verursacht durch eine
spezielle makroskopische räumliche Ausrichtung der Fasern innerhalb
der Messküvette: Ähnlich wie das Fähnchen im Wind richten sich die
einzelnen Fasern mit der Strömung aus. Entlang des Lichtstrahls durch
die Küvette erzeugen die verschiedenen Strömungen innerhalb des
Wirbels eine helikale Anordnung der Fasern - eine Struktur, die an
bestimmte flüssigkristalline Phasen erinnert. Wird die Rührrichtung
umgekehrt, wechselt auch die helikale Struktur ihren Drehsinn.
Quellen und Artikel:
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Akihiko Tsuda, Dr., Md. Akhtarul Alam, Dr., Takayuki Harada, Tatsuya
Yamaguchi, Noriyuki Ishii, Dr., Takuzo Aida, Prof. Dr.: Spectroscopic Visualization of Vortex Flows Using Dye-Containing
Nanofibers
in: Angewandte Chemie, Volume 119 Issue 43, Pages 8346 - 8350,
Published Online: 4 Sep 2007
DOI
10.1002/ange.200703083
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Homepage von
Takuzo Aida, University of Tokyo (Japan)
