Aspirin liefert physikalische Einsichten

  • 08. September 2017

Extrem starke Kopplung zwischen den Bewegungen der Elek­tronen und der Atom­kerne.

Aufgrund seiner physiologischen Wirkung hat Aspirin eine weite Anwen­dungs­palette in ver­schie­denen Bereichen der Medizin gefunden. Wenn man sich aus physi­ka­lischer Sicht ein ein­zelnes Aspirin­molekül anschaut, kann man zwei unter­schied­liche Bewegungs­typen unter­scheiden: Erstens Molekül­schwin­gungen, oszil­lie­rende Bewe­gungen der Atom­kerne in einem weiten Frequenz­bereich, beispiels­weise die behin­derte Drehung der Methyl­gruppe mit einer Frequenz von sechs Tera­hertz. Zweitens oszil­lie­rende Bewe­gungen der Elek­tronen inner­halb des Moleküls mit etwa tausend Tera­hertz, die man etwa mit ultra­violettem Licht anregen kann. Während die beiden unter­schied­lichen Bewe­gungen in einem iso­lierten Aspirin­molekül nur schwach mit­ein­ander koppeln, ent­wickelt sich eine sehr starke gegen­seitige elek­trische Wechsel­wirkung in der dichten Packung von Mole­külen in Kristal­liten, aus denen die Aspirin­tabletten bestehen. Als Ergeb­nis dieser starken Kopp­lung wird die Schwin­gungs­frequenz weicher Moden dras­tisch redu­ziert. Das kompli­zierte Kopp­lungs­schema und die daraus resul­tie­rende Molekül­dynamik sind wichtig, um zu ver­stehen, wie Aspirin auf externe Stimuli ant­wortet. Bislang weiß man darüber fast nichts.

Weiche Moden

Abb.: Blauverschiebung der weichen Moden, hervor­gerufen durch das elek­trische Feld des Tera­hertz-Impulses in einem Aspirin­kristall. (Bild: MBI Berlin)

Forscher des Max-Born-Instituts in Berlin und der Uni Luxem­burg kombi­nierten jetzt modernste Methoden der experi­men­tellen und theore­tischen Physik, um grund­legende Eigen­schaften solcher weicher Moden auf­zu­klären. In den Experi­menten schickten die Wissen­schaftler zwei phasen­ge­koppelte Tera­hertz-Impulse auf eine sieben­hundert Mikro­meter dicke Tablette aus poly­kristal­linem Aspirin. Das von den sich bewe­genden Atomen abge­strahlte elek­trische Feld erlaubt es, die Schwin­gungen der weichen Moden direkt in Echt­zeit zu beob­achten. Die zwei­dimen­sio­nale Tera­hertz-Spektro­skopie zeigte eine über­raschend starke nicht­lineare Antwort der weichen Moden in Aspirin­kristallen. Dabei beob­achtet man eine dras­tische Ver­schie­bung der weichen Moden zu höheren Frequenzen. Die experi­mentell beob­achtete Antwort zeigte einen nicht-instan­tanen Charakter auf der Piko­sekunden-Zeit­skala auf­grund der erzeugten elek­trischen Polari­sation der Aspirin­kristalle. Während des Zer­falls dieser Polari­sation kehrt die Frequenz der weichen Moden all­mäh­lich wieder zu ihrem Wert vor der Anre­gung zurück.

Die theoretische Analyse der Forscher zeigt, dass die großen elek­trischen Polari­sa­tionen im Ensemble der Aspirin­moleküle den weichen Moden einen Hybrid-Charakter ver­leihen. Durch elek­trische Dipol-Dipol-Wechsel­wirkungen werden Elektron- und Atom­kern-Bewe­gungen stark korre­liert. Vor der Anregung bestimmt diese Korre­lation die Frequenz der weichen Moden in einem Aspirin­kristall. Eine inten­sive Tera­hertz-Anregung bricht diese Korre­la­tionen auf, was zu einer Blau­ver­schie­bung der Schwingungs­frequenz führt. Der ver­gleichs­weise lang­same Zer­fall der Polari­sation ruft eine nicht-instan­tane Antwort der Aspirin­kristalle hervor. Das hier beob­achtete Szenario ist für eine große Klasse von moleku­laren Materi­alien wichtig, insbe­sondere für solche in Anwen­dungen in der Ferro­elek­tri­zität.

FV Berlin / RK

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