Durch die Zellmembranen aller Lebewesen und Pflanzen werden ständig lebenswichtige Ionen durch Kanäle hinein- und heraustransportiert. Forschende der Gruppe um Prof. Katharina Fromm des Departements für Chemie der Universität Freiburg haben nun ein Material entwickelt, in welchem sich die Bestandteile von selbst zu Kanalstrukturen anordnen und damit den Transport von Ionen ermöglichen.

Auf molekularer Ebene ist das Stapeln von Bestandteilen für den Inonentransport kein Kinderspiel. (Bild: Thinkstock)

Haben Sie schon einmal probiert, ringförmige Objekte, beispielsweise Frisbee-Ringe, zu stapeln? Meist fällt der Stapel nach ein paar Zentimetern um oder er verrutscht. Hat man aber einen eckigen Rahmen mit der Dimension der Frisbee-Ringe (etwa eine hohe Kiste, die oben und unten ein Loch hat (siehe Bild), so kann man beliebig viele solcher Objekte stapeln, ohne dass diese verrutschen. In der Mitte der Frisbee-Ringe entsteht dabei gleichzeitig ein Kanal, in den man wiederum andere Objekte, zum Beispiel Bälle, hineinpacken kann. In diesem Kanal können sich die Bälle auf und ab bewegen, oder einfach durch den Kanal hindurch laufen, wenn man die Kiste mit den Ringen anhebt.

In der vorliegenden Publikation ist es der Gruppe Fromm gelungen, solch ein Motiv auf molekularer Ebene durch Selbstorganisation der beteiligten Bestandteile nachzubauen. Dabei bilden stäbchenförmige, negativ geladene Moleküle, sogenannte Polyhalogenide, das Gerüst - also den Rahmen - in welchem sich die ringförmigen, neutralen Einheiten (hier Kronenether) zu Stapeln anordnen. Ohne diesen Rahmen stapeln sich die Kronenether nicht. In die so gebildeten Kanäle können dann sogenannte Kationen (positive geladene Ionen), wie beispielsweise Natrium- oder Kalium-Ionen, eingefüllt werden. Diese Strukturen von parallelen Kanälen, die man dabei erhält, können makroskopische Einkristalle bilden (siehe Darstellung unten). Die Kationen können, wie die Bälle durch die geordneten Frisbee-Scheiben, durch die Kanäle dieser Kristalle wandern; die Einkristalle sind also gute ionische Leiter.



Solche Kationen-leitenden Verbindungen spielen eine wichtige Rolle beispielsweise in Li-Ionenbatterien. Dort müssen Lithium-Ionen transportiert werden, ein Vorgang, der tagtäglich in allen Natels, Laptops oder i-Pads abläuft. Ein analoger Prozess findet in unseren Zellen statt, in die Ionen hinein-, bzw. herauswandern, und der lebenswichtig für unseren Elektrolythaushalt ist. Die einkristallinen Materialien, wie sie in der Publikation beschrieben wurden, könnten auch in der Mikroanalytik Verwendung finden, wenn es gilt, kleinste Mengen an Ionen in winzigen Flüssigkeitsmengen zu bestimmen.

Link zur Publikation
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201208195/pdf

Kontakt
Prof. Dr. Katharina M. Fromm, Department für Chemie, Fribourg Center of Nano-Materials FriMat, Universität Freiburg, 026 300 87 32, katharina.fromm@unifr.ch, http://www.chem.unifr.ch/kf/index.html