Der Wellencharakter von Biomolekülen

17. September 2003, 11:42
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Wiener Physikern gelang erstmals ihr Nachweis - Farbstoffträger "Porphyrin" zeigt eindeutig Beugungsmuster

Wien - Physikern des Instituts für Experimentalphysik der Universität Wien ist es erstmals gelungen, auch für ein Biomolekül den Wellencharakter nachzuweisen. Das Molekül "Tetraphenylporphyrin" kommt als Farbstoffträger etwa in Chlorophyll oder dem Blutfarbstoff Hämoglobin vor. Mittels einer eigens dafür entwickelten Versuchsanordnung entlockten die Wiener Wissenschafter um Markus Arndt und Anton Zeilinger den Molekülen so genannte Beugungsmuster. Ihre Ergebnisse wurden nun im Fachmagazin "Physical Review Letters" veröffentlicht.

Bislang nur als Licht nachgewiesen

Lange bekannt und Lehrbuchbeispiel für die Teilchen-Welle-Dualität ist Licht. Dessen masselosen Photonen erscheinen einmal als Teilchen, verhalten sich also so, als wären es tatsächlich winzige Pünktchen, die mit Lichtgeschwindigkeit - wie sonst - durch die Gegend sausen.

Andererseits zeigen sie aber auch Wellencharakter, wobei sich die Lichtwellen entweder gegenseitig verstärken oder auch auslöschen können. Am einfachsten nachvollziehbar ist die Wellen-Natur, wenn man einen Lichtstrahl durch einen Spalt schickt. Ist die Öffnung klein genug, entstehen auf einem Schirm dahinter so genannte Beugungsmuster, also helle und dunkle Bereiche.

Beugungsmuster mit großen Molekülen

Erst seit wenigen Jahren gelingt es Wissenschaftern auch mit größeren und massiven Teilchen den Wellencharakter experimentell zu zeigen. So erzeugten die Wiener Experimentalphysiker 1999 erstmals Beugungsmuster auch mit relativ großen Molekülen, nämlich den aus Kohlenstoff bestehenden Fullerenen.

60 Kohlenstoffatome hatten die Moleküle, mit denen der Größenrekord 1999 gelang. Dabei wurde ein sehr fein gebündelter Strahl von heißen Fullerenen auf ein Siliziumgitter gerichtet und das entstehende Beugungsbild dahinter mit einem Laserstrahl abgetastet und aufgezeichnet.

Neue Versuchsanordnung

Für die Biomoleküle musste nun wieder eine neue Versuchsanordnung ausgetüftelt werden, da die Laserabtastung im Falle der Biomoleküle nicht funktioniert, berichtete Lucia Hackermüller gegenüber der APA. Das Porphyrin wurde für das Experiment verdampft und die Moleküle auf 160 Meter pro Sekunde beschleunigt. Anschließend passierten die Teilchen drei Goldgitter, ehe sie ionisiert und in einem Massenspektrometer aufgefangen wurden.

"Wie auch schon bei den Fullerenen zeigten die Biomoleküle nach Passieren der Gitter eindeutig ein Beugungsmuster, somit konnte der Wellencharakter nachgewiesen werden", so die Wissenschafterin.

Dualität in der Makrowelt

In ihrer Veröffentlichung (L. Hackermüller et al. 2003 Phys. Rev. Lett. 91 090408) stellen die Wissenschafter auch noch einen weiteren Rekord vor: Die C60-Fullerene, die schon 1999 eingesetzt wurden, erhielten noch 48 Fluor-Atome verpasst. Diese Gebilde sind zwar etwas kleiner als die Porphyrine, aber etwa doppelt so massiv und komplex wie die bisherigen Rekordhalter C70. Damit sind dies die massivsten Gebilde, für die der Nachweis des quantenmachanischen Wellencharakters gelang.

Wie weit sich das Spiel noch treiben lässt, wagt Hackermüller nicht zu sagen. "Wir werden uns demnächst auf jeden Fall an Proteinen versuchen", sagte die Physikerin. Die Studien seien nicht nur von grundlagenphysikalischer, sondern auch von philosophischer Bedeutung. So galt die Teilchen-Welle-Dualität lange Zeit als ein Phänomen der Nanowelt, langsam kämpfen sich die Wissenschafter nun aber in Richtung Makrowelt vor. (APA)

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    Der österreichische Physiker Anton Zeilinger hinter einer Versuchsanordnung mit grünem Laser im Labor des "Institut für Experimentalphysik' in Wien.

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