Kann man einzelne Moleküle sehen?

Einzelmolekülspektroskopie steht im Mittelpunkt der diesjährigen ’Bunsentagung’ in Frankfurt

Methodische Entwicklungen der letzten zwei Jahrzehnte erlauben es, einzelne Atome, Moleküle oder allgemein Teilchen mit Dimensionen im Bereich weniger Nanometer (millionstel Millimeter) einzufangen, abzubilden, zu identifizieren, zu zählen, zu manipulieren, zu modifizieren, zu schalten, zu verfolgen und vieles mehr.

Die Einzelmolekülspektroskopie steht im Mittelpunkt der Jahreshauptversammlung der Deutschen Bunsengesellschaft für Physikalische Chemie, die vom 5. bis 7. Mai auf dem Campus Westend stattfindet.

Die ’Bunsentagung’ als wichtigste internationale Tagung für Physikalische Chemie im deutschsprachigen Raum führt über 600 Wissenschaftler aus Universitäten und der Industrie zusammen, um über diese Thematik zu diskutieren und sich zu informieren. In ganz Europa findet keine größere Fach-Tagung auf diesem Gebiet statt.

Welche Vorteile bringt die Betrachtung einzelner Moleküle? Ein wichtiges Charakteristikum eines jeden Einzelmolekül-Experiments ist die Vermeidung der Mittelung über viele Teilchen wie es sonst geschieht. Durch den Blick auf einzelne Mitglieder einer typischerweise heterogenen Teilchengruppe werden die Verteilungen physikalischer Eigenschaften zugänglich und nicht nur deren Mittelwerte, die weniger Information enthalten. Zudem werden physikalische Effekte sichtbar, die bei der Mittelung verborgen bleiben. Dies wäre vergleichbar zum einen mit Aussagen gemittelt über das chinesische Volk, bei denen individuelle Unterschiede keine Rolle spielen und zum andern mit Aussagen über einzelne Chinesen, bei denen die individuellen Eigenschaften, Traditionen, Größen etc. untersucht würden.

Im letzten Jahrzehnt hat die optische Einzelmolekülspektroskopie mit Hilfe von Lasern in vielen Bereichen der Physik, Chemie und Biologie Einzug gehalten. In den letzten Jahren sind biologische Makromoleküle, die aufgrund ihrer komplexen Struktur oft große Unterschiede aufweisen, ein bevorzugtes Objekt einzelmolekülspektroskopischer Untersuchungen geworden. Hier wurde eine Vielzahl von Ergebnissen erzielt, so zur Faltung von Biomolekülen, deren Flexibilität Grundlage der Komplexität und morphologischen Variabilität der lebenden Natur sind, zur Wechselwirkung von Eiweißstoffen mit ihren ’chemischen Bauplänen’ d.h. dem DNA-Molekül, zur Übertragung von chemischen und neuronalen Signalen, durch die die äußerst komplexe Biochemie von Lebewesen gesteuert wird.

Viele neuere Arbeiten verwenden die Methode der Einzelmolekülspektroskopie auch für die Nanotechnologie, die es gegenüber der jetzigen Mikrotechnologie mit hundert- bis tausendmal kleineren Objekten zu tun hat, so z.B. mit Nanoteilchen und Nanoröhren etc. Dabei sind neben grundlagen- auch vor allem materialwissenschaftliche Aspekte von Bedeutung. Beispiele sind futuristisch anmutende Materialien wie selbstheilende oder superkratzfesten Lacke – Kratzer verschwinden von selbst oder können erst gar nicht entstehen – selbstreinigende Oberflächen – Stichwort Lotusblumeneffekt – nanotechnologische Beschichtungssysteme zum Korrosionsschutz, Sonnenschutzcremes mit extrem hohem Lichtschutzfaktor oder Nanoteilchen in der Medizin, die als selektive Arznei-Shuttle funktionieren.

Mit der Einzelmolekül-Betrachtung hat der Chemiker das Ende der ihn tangierenden Größenskala erreicht. Das Verständnis der Natur in dieser Dimension steht im Blickfeld der ’Bunsentagung 2005’ in Frankfurt.