Wissenschaftler haben Moleküle entdeckt, die nach Dehnung und Rückkehr in ihren ursprünglichen Zustand kleiner sind als zuvor. Außerdem sind sie in der Lage, zehntausendmal länger im sogenannten Übergangszustand zu verweilen, den Chemiker aufgrund seiner Vergänglichkeit bisher nicht beobachten konnten.
Die Forscher Stephen Craig und Jeremy Lenhardt untersuchen systematisch verschiedene Polymere auf der Suche nach Molekülen, die bei der Herstellung „selbstheilender“Materialien nützlich sein könnten. Sie hoffen, Polymermoleküle zu finden, die, wenn sie gedehnt werden, eine Art chemische Reaktion „auslösen“können, wodurch sich das Material selbst reparieren kann.
Stellen Sie sich eine Plastikfolie vor, die jedes Loch "wachsen" lässt, bevor das Loch mit bloßem Auge sichtbar ist. Dazu müssen die Moleküle an den Rändern des Schadens irgendwie ihre Eigenschaften ändern und anfangen zu wirken, indem sie "Brücken" bilden, die das Loch verengen. (Für ein Material, das sich unter Einwirkung von Sonnenlicht „selbst heilen“kann, lesen Sie „Verschwindende Kratzer“und für selbstheilende Autolacke „Fender vs. Nail“)
Auf der Suche nach Polymeren mit nützlichen Eigenschaften zur Lösung dieses Problems verwendete Lenhardt ein Gerät, das einen variablen Druck einer Lösung erzeugt, die Polymermoleküle enthält. Die Maschine komprimiert die Lösung mit einer Geschwindigkeit von 20.000 Mal pro Sekunde, wodurch winzige Bläschen entstehen, die die Enden der Moleküle „packen“und sie für eine Milliardstel Sekunde dehnen.„Stellen Sie sich zwei Kajaks vor, die mit einem Seil zusammengebunden sind“, erklärt Craig. „Wenn der erste in die Stromschnellen eintritt und beschleunigt, dehnt sich das Seil.“
Lenhardt wiederholte das Experiment immer wieder und zeichnete die Eigenschaften verschiedener Polymertypen auf. Als er gem-Difluorcyclopropan (gDGC)-Moleküle beobachtete, die einen „Ring“aus Atomen enthielten, stellte er überrascht fest, dass einige der Moleküle nach dem Verlassen des „gestreckten“Zustands viel kürzer wurden als vor dem Strecken.
Aber das war nicht das einzige interessante Feature von gDGC. Diese Moleküle blieben auch viel länger als gewöhnlich im "gestreckten" Zustand des 1,3-Diradikals. Wenn ein Molekül an einer chemischen Reaktion teilnimmt, durchläuft es einen Zwischenzustand und verbleibt darin für 10 bis 100 Femtosekunden. Dieser Zeitraum ist zu kurz, um zu beobachten, was mit dem Molekül passiert, also sind Chemiker gezwungen, Übergangszustände danach zu beurteilen, was vorher und was danach passiert ist. Die Forschung von Craig und Lenhardt zeigte jedoch, dass die von ihnen beobachteten 1,3-Diradikale einer dieser flüchtigen Übergangszustände waren, in denen Moleküle für einige Nanosekunden gefangen waren – zehntausendmal länger als gewöhnlich.
" Das könnte ein Fenster sein, durch das man Moleküle in Übergangszuständen betrachten kann", sagt Craig. „Wir können solche Zustände lange genug festh alten, um ihre Merkmale aus verschiedenen Blickwinkeln zu untersuchen.“Wissenschaftler haben bereits mit ersten Forschungen in diese Richtung begonnen.
Der Übergangszustand ist durch ein hohes Energieniveau gekennzeichnet, und genau das versucht das System zu vermeiden. Deshalb verweilen die Moleküle nicht im Übergangszustand. Forscher können nur vermuten, was es war. „Aber vielleicht gibt es in vielen Fällen kein Rätselraten mehr“, sagt Lehnhardt.
Die Ergebnisse der Arbeit wurden in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Pressemitteilung der Duke University.
