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Veröffentlicht: 23.01.2017, 16:22 Uhr

Rekordverdächtiger Knoten Winzig und doch so komplex

Chemiker haben den bislang kleinsten und kompliziertesten Knoten im Reagenzglas geflochten. Der Winzling besteht aus 200 Atomen.

von
© Stuart Jantzen, www.biocinematics.com, Modell eines topologischen Knotens mit acht Überkreuzungen

Knoten sind nicht nur etwas für Bergsteiger, Seeleute oder Zauberer. Auch Mathematiker, Physiker und sogar Chemiker beschäftigen sich mit diesen Gebilden. Allerdings sprechen sie von einem richtigen Knoten nur dann, wenn beide losen Enden miteinander verbunden sind. Solche Knoten gelten als besonders fest und können nur mit einem beherzten Schnitt mit der Schere gelöst werden.

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Nun haben Chemiker von der University of Manchester einen 20 Nanometer großen Knoten im Reagenzglas geflochten, der aus rund 200 Atomen besteht. Der Winzling soll einer der komplexesten Knoten sein, die bislang geknüpft worden sind, schreiben die Forscher in der Zeitschrift „Science“.

Chemische Knotenkunde © Jean-Francois Lemonnier, University of Manchester, Vergrößern Chemischer Aufbau des molekularen Knotens. Klar zu erkennen sind die charakteristischen acht Überkreuzungen.

Der Knoten von David Leigh und seinen Kollegen, symbolisch dargestellt in der Abbildung links, besteht aus vier  ineinander verschlungenen Schlaufen, die sich an acht Stellen kreuzen. Mathematiker zählen ihn zu den komplexeren Torusknoten, weil er sich mehrmals um einen - fiktiven - Torus winden lässt.

Mehr als chemische Spielerei

Für die Herstellung des Geflechts verwendeten die Forscher Pyridin, ein ringförmiges Molekül aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff, weitere organische Verbindungen und Eisenchlorid.

Chemischer Knoten © David Leigh, University of Manchester Vergrößern Syntheseschritte zur Herstellung des molekularen Knotens

Durch die Wahl der Reaktionsschritte und  längeres Erhitzen sowie aufgrund der Lösungsmittel formten sich durch Selbstorganisation zunächst vier längere Polymerstränge. Die Eisenionen sorgten dafür, dass sich die Stränge verdrillten und an acht Stellen überkreuzten. Sie dienten gewissermaßen als Gerüst für den Knoten. Ein Katalysator verklebte schließlich die losen Enden, so dass ein fester Torusknoten entstand. Zum Schluss wurden noch die Eisenionen herausgewaschen.

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Für Leigh und seine Kollegen sind die molekularen Knoten mehr als chemische Spielerei. So könnte man durch das gezielte Verweben von Fasern wie Kevlar oder Spinnseide noch robustere Werkstoffe produzieren.

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