Von: Dennis L.
Kleine Sensation

Erstmals Bildung von Wasserstoffbrücken beobachtet

Mit einem Rasterkraftmikroskop untersuchten Wissenschaftler erstmals die Bildung von einer Wasserstoffbrücke in einem einzelnen Molekül. Im Wissenschaftsjournal Science Advances berichten die Forscher, dass sich mit der verwendeten Methode zukünftig auch komplexe organische Moleküle identifizieren lassen.

Eine sich ausbildende Wasserstoffbrücke.
© Universität Basel

Basel (Schweiz). Wasserstoff stellt das mit Abstand häufigste Element im Universum dar. Über stark polarisierte Wasserstoffatome stehen Moleküle miteinander in Verbindung. Die als Wasserstoffbrücken oder Wasserstoffbrückenbindung bezeichneten Wechselwirkungen sind für unser Leben insofern von enormer Bedeutung, als dass sie für die Struktur und Funktion von DNA, Proteinen und Polysacchariden verantwortlich sind.

Wie entsteht eine derartige Brücke?

Zur Bildung einer Wasserstoffbrücke kommt es, wenn die leicht positiv geladenen Wasserstoffatome eines Wassermoleküls oder eines anderen Moleküls in die Nähe eher negativ geladener Atome wie beispielsweise dem Sauerstoffatom eines Wassermoleküls gelangen. Ähnlich zweier Magnete mit unterschiedlichem Pol ziehen sich die Atome gegenseitig an. Bisher war es Forschern nicht gelungen, die Bildung einer Wasserstoffbrückenbindung zu beobachten und auch mit einem Rastermikroskop konnten keine eindeutigen Ergebnisse gewonnen werden.

Mit Kohlenstoffmonoxid-Molekül preparierte Spitze

Ein hochauflösendes Rastermikroskop ermöglichte es dem Team um Dr. Shigeki Kawai vom Swiss Nanoscience Institute und der Universität Basel schließlich, Wasserstoffatome in einer einzelnen Kohlenwasserstoffverbindung zu analysieren. Das Besondere an dem verwendeten Mikroskop ist ein Tastarm, welcher an der Unterseite mit einer sehr kleinen Spitze ausgestattet ist. An Letzterer froren die Wissenschaftler ein auf ungefähr minus 268 Grad Celsius gekühltes einzelnes Kohlenstoffmonoxid-Molekül fest, dessen nach unten ragendes Sauerstoffatom nun das Ende der Spitze darstellte.

Anziehung von Atomen

Für ihr Experiment wählten die Forscher ein propellerähnliches Molekül aus, welches sie auf ihrem Objektträger befestigten. Auf der Oberfläche ordneten sich die Propellane so an, dass stets zwei Wasserstoffatome in Richtung des Tastarms zeigten. Führten Kawai und seine Kollegen die mit Kohlenmonoxid versehene Spitze des Rasterkraftmikroskops in die Nähe der beiden Wasserstoffatome, konnte die Bildung von Wasserstoffbrücken beobachtet werden, welche sich untersuchen lassen.

Theorie bestätigt

Die Wissenschaftler erklären, dass Wasserstoffbrücken wesentlich schwächer als chemische Bindungen, allerdings bedeutend stärker als zwischenmolekulare Van-der-Waals-Bindungen sind. Die im Experiment festgestellten Kräfte und Abstände zwischen dem an der Mikroskopspitze befindlichen Sauerstoffatom des CO-Moleküls und den Wasserstoffatomen des Propellans stimmen mit den Berechnungen finnischer Forschungspartner überein, sodass es sich bei der Bindung zweifelsfrei um Wasserstoffbrücken handelt und die deutlich schwächeren Van-der-Waals-Kräfte sowie die stärkeren Ionenbindungen ausgeschlossen werden können. Nach Meinung der Forscher des Swiss Nanoscience Instituts der Universität Basel lassen sich mit der verwendeten Technik neue Wege beschreiten, um zukünftig auch komplexe Moleküle wie DNA oder Polymere zu identifizieren.

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