04.10.07 Nanostäbchen erzeugen optische Aktivität in gerührten Flüssigkeiten

Rechts oder links herum gewirbelt?

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 herausfanden, ändert sich die optische Aktivität einer Lösung dieser Substanz rasch, wenn der Drehsinn beim Rühren umgekehrt wird.

Abb. 1: a) Messung der optischen Aktivität mit CD-Spektroskopie. b) Schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse und der Ausrichtung der Nanofasern
Quelle: Angewandte Chemie, Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduziert mit Bewilligung.

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.

Quelle:

Spectroscopic Visualization of Vortex Flows Using Dye-Containing Nanofibers
A. Tsuda, et. al., Angew. Chem. 2007. DOI: 10.1002/ange.200703083

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Nanostäbchen erzeugen optische Aktivität in gerührten Flüssigkeiten
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2007okt/wirbel.shtm)

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