Pflanzen tun es seit Jahrmillionen: Bei der Photosynthese wandeln sie mit Hilfe von Lichtenergie der Sonnenstrahlung Kohlendioxid in komplexe Molek\u00fcle um, die schlie\u00dflich als Biomasse zur Verf\u00fcgung stehen. Gel\u00e4nge es, auf synthetischem Wege diese Prozesse der Weiterleitung und Speicherung von Sonnenenergie in komplexen Molek\u00fclen nachzubilden, w\u00fcrde diese Technologie unter anderem den Aufbau bisher ausschlie\u00dflich aus Biomasse produzierter Rohstoffe erm\u00f6glichen wie z.B. St\u00e4rke, Zucker und Methan aus Sonnenlicht und Kohlendioxid. Auch die Reduzierung des Treibhausgases Kohlendioxid in der Atmosph\u00e4re w\u00e4re so auf technischenm Weg m\u00f6glich.<\/p>\n
Bis die k\u00fcnstliche Synthese konkurrenzf\u00e4hig zur Biomasseproduktion aus Land- und Forstwirtschaft wird, ist es noch ein langer Weg. Immerhin haben Forscher an der Universit\u00e4t W\u00fcrzburg nun Nanokapseln entwickelt, deren Molek\u00fcle Lichtenergie nicht nur absorbieren, sondern auch an andere Molek\u00fcle weitergeben. Die Forscher sehen ihre Arbeit als m\u00f6glichen Baustein f\u00fcr eine k\u00fcnstliche Photosynthesemaschine an, die Sonnenlicht wesentlich effizienter umsetzen w\u00fcrde als Pflanzen – nicht mehr, aber auch nicht weniger.<\/b><\/p>\n
Faszinierend komplex ist die Struktur, die an der Universit\u00e4t W\u00fcrzburg in den Labors der Organischen Chemie entwickelt wurde: Tausende von gleichartigen Molek\u00fclen dr\u00e4ngen sich zu einer Kapsel zusammen, die mit einer anderen Sorte von Molek\u00fclen gef\u00fcllt ist. Nur 20 bis 50 Nanometer betr\u00e4gt der Durchmesser einer Kapsel – das ist ein Zehntausendstel eines Stecknadelkopfes.<\/p>\n
Derart aufw\u00e4ndige Gebilde sind in der Chemie nicht gerade allt\u00e4glich. Kein Wunder also, dass die W\u00fcrzburger Nanokapseln in der November-Ausgabe der Zeitschrift “Nature Chemistry” auf der Titelseite pr\u00e4sentiert werden. Au\u00dferdem k\u00f6nnen sie etwas, das f\u00fcr chemisch synthetisierte Molek\u00fcle bislang nicht beschrieben ist.<\/p>\n
Eingekapselte Molek\u00fcle \u00fcbertragen Energie<\/b>
Die Nanokapseln besitzen eine Eigenschaft, die bei der Photosynthese der Pflanzen wichtig ist: Die in der Kapsel liegenden Molek\u00fcle absorbieren Lichtenergie und geben einen Teil davon in Form von Fluoreszenzlicht wieder ab. Den anderen Teil aber \u00fcbertragen sie mittels Energietransfer auf die Kapselmolek\u00fcle, die daraufhin ebenfalls Fluoreszenzlicht ausschicken.<\/p>\n
Bei der Photosynthese geschieht – vereinfacht gesagt – nichts anderes: Molek\u00fcle fangen die Energie des Sonnenlichts ein und \u00fcbertragen sie in einem komplizierten Prozess auf andere Molek\u00fcle, bis die Energie am Ende chemisch gebunden ist: Die Kraft der Sonne steckt dann in wertvollen Kohlenhydraten, aus denen Pflanzen, Tiere und Menschen ihre Lebensenergie sch\u00f6pfen.<\/p>\n
Prinzipiell sollten sich die Nanokapseln daher als Bausteine f\u00fcr eine k\u00fcnstliche Photosynthese-Maschine eignen. “Das Licht w\u00fcrden sie sogar wesentlich effizienter nutzen als Pflanzen, weil ihre synthetischen Doppelschichtmembranen zu hundert Prozent aus photoaktivem Material bestehen”, sagt Professor Frank W\u00fcrthner.<\/p>\n
Wozu k\u00fcnstliche Photosynthese gut ist<\/b>
Warum die Forschung nach der k\u00fcnstlichen Photosynthese strebt? Pflanzen verbrauchen bei der Photosynthese den “Klimakiller” Kohlendioxid. Angesichts der globalen Erw\u00e4rmung sehen viele Wissenschaftler eine k\u00fcnstliche Photosynthese als M\u00f6glichkeit, um das Treibhausgas Kohlendioxid in der Atmosph\u00e4re mengenm\u00e4\u00dfig zu reduzieren. Au\u00dferdem w\u00fcrden bei diesem Prozess wertvolle Rohstoffe entstehen: Zucker, St\u00e4rke und das Gas Methan.<\/p>\n
Einzigartiges Material f\u00fcr die Kapselh\u00fclle<\/b>
Die W\u00fcrzburger Nanokapseln bestehen aus einem einzigartigen Material. Entwickelt wurde es im Arbeitskreis von Frank W\u00fcrthner auf der Basis so genannter amphiphiler Perylenbisimide. Gibt man den als Pulver isolierbaren Grundstoff in Wasser, bilden seine Molek\u00fcle dort automatisch so genannte Vesikel, die aber noch nicht best\u00e4ndig sind. Erst durch eine Photovernetzung mit Licht werden sie zu robusten Nanokapseln, die in w\u00e4ssriger L\u00f6sung stabil sind – egal welcher pH-Wert dort herrscht.<\/p>\n
Bispyrene als F\u00fcllung der Kapseln<\/b>
Die F\u00fcllung der Nanokapseln mit weiteren photoaktiven Molek\u00fclen ist dem chinesischen Gastwissenschaftler Dr. Xin Zhang gelungen. Als Stipendiat der Humboldt-Stiftung h\u00e4lt er sich derzeit im Arbeitskreis von Professor W\u00fcrthner auf.<\/p>\n
Zhang schleuste Bispyren-Molek\u00fcle in die Nanokapseln ein. Ihre Besonderheit: Sie ver\u00e4ndern ihre Gestalt in Abh\u00e4ngigkeit von der Umgebung. Bei niedrigem pH-Wert, also in einer sauren Umgebung, nehmen sie eine langgestreckte Form an. Regt man sie mit UV-Licht an, strahlen sie blaues Fluoreszenzlicht aus.<\/p>\n
Steigt der pH-Wert, klappen sich die Molek\u00fcle zusammen. In dieser Gestalt geben sie gr\u00fcnes Fluoreszenzlicht ab. In diesem Zustand regen die Bispyrene die Kapselh\u00fclle energetisch an – und die reagiert darauf mit roter Fluoreszenz.<\/p>\n
Blau, gr\u00fcn und rot. \u00dcberlagern sich die drei Grundfarben, kommt dabei wei\u00df heraus – wie bei einem Farbfernseher. So ist es auch bei den Nanokapseln: Bei einem pH-Wert von 9, also recht nahe beim Neutralpunkt, strahlen sie wei\u00dfes Fluoreszenzlicht ab – “ein in der Sensorik bislang einmaliger Effekt, der wegweisend f\u00fcr das Design von Fluoreszenzsonden f\u00fcr die Lebenswissenschaften sein d\u00fcrfte”, so Professor W\u00fcrthner.<\/p>\n
Nanosonde f\u00fcr pH-Messungen<\/b>
Die W\u00fcrzburger Chemiker haben damit eine h\u00f6chst empfindliche Nanosonde zur Hand: Denn \u00fcber die Wellenl\u00e4nge des Fluoreszenzlichts, das die Nanokapseln ausstrahlen, l\u00e4sst sich der pH-Wert einer w\u00e4ssrigen L\u00f6sung mit nanoskaliger Ortsaufl\u00f6sung bestimmen.<\/p>\n
Nicht nur f\u00fcr die k\u00fcnstliche Photosynthese kommen die Nanokapseln darum in Betracht, sondern auch f\u00fcr diagnostische Anwendungen: Zum Beispiel k\u00f6nnte man sie mit speziellen Oberfl\u00e4chenstrukturen ausstatten, die gezielt an Tumorzellen andocken und diese dann mittels Fluoreszenz sichtbar machen.<\/p>\n
Beide m\u00f6glichen Anwendungen sind Gegenstand weiterer Forschungsarbeiten am Lehrstuhl von Frank W\u00fcrthner. Die hier beschriebenen Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gef\u00f6rdert.<\/p>\n
Weitere Informationen<\/b>
“Vesicular perylene dye nanocapsules as supramolecular fluorescent pH sensor systems”, Xin Zhang, Stefanie Rehm, Marina M. Safont-Sempere & Frank W\u00fcrthner, Nature Chemistry 1, 623 – 629 (2009) (Abstract<\/a>)<\/p>\n