Schneller Protonentransport

  • 05. April 2016

Eindimensionale Kette aus Wasser­mole­külen in einem Nano­röhrchen leitet Pro­tonen un­ge­wöhn­lich schnell.

Protonen transportieren positive Ladungen in Wasser schneller als alle anderen positiv geladenen Ionen. Dieses Phänomen beschrieb bereits vor zwei­hundert Jahren der deutsch-litauische Natur­forscher Theodor von Grotthuß. Jetzt gelang es einer Forscher­gruppe am kalifor­nischen Lawrence Liver­more National Labora­tory, diesen Grotthuß-Mechanismus mit einer Kette aus Wasser­molekülen genauer zu analy­sieren. Einge­sperrt in ein Nano­röhrchen aus Kohlen­stoff bildeten die aufge­reihten Wasser­moleküle künstliche Kanäle mit einer beschleu­nigten Protonen­leitung, die für bessere Membranen von Brenn­stoff­zellen genutzt werden könnte.

Protonentransport

Abb.: Eine eindimensionale Kette aus Wasser­molekülen – einge­sperrt in ein Nano­röhrchen aus Kohlen­stoff – leitet Protonen unge­wöhnlich schnell. (Bild: A. Noy et al., LLNL)

„Dieser Ansatz bringt uns einen Schritt näher zu künst­lichen Kanälen, die auch biolo­gische Funktionen über­nehmen können“, sagt LLNL-Forscher Alexander Noy. Mit seinen Kollegen nutzte er dazu ein­wandige Nano­röhrchen aus Kohlen­stoff. Diese lagerten die Forscher in einer Matrix aus Lipiden und Wasser. Etwa eine Stunde setzten sie diese Matrix Ultra­schall­wellen aus. Dabei wanderten Wasser­moleküle in die Nano­röhrchen mit nur 0,7 Nano­meter Innen­durch­messer und bildeten eine ein­dimen­sionale Kette. Dickere Nano­röhrchen mit 1,5 Nano­meter Durch­messer dagegen boten bereits zu viel Raum, so dass sich ein drei­dimensio­nales Netz­werk aus Wasser­molekülen aus­bildete. Aus­richtung und Füllung der Nano­röhrchen ließen sich über Fluo­reszenz­aufnahmen und mit einem Trans­missions­elektronen­mikroskop kontrollieren.

Um die Geschwindigkeit des Protonen­transports zu messen, bestimmten Noy und seine Kollegen die Durch­lässig­keit der Nano­röhrchen für positive Ladungs­träger. In der äußeren Lipid-Matrix lag dazu ein etwas höherer pH-Wert (7,51) vor als im Röhrchen (pH 6,9). Dank dieses Gradienten kam es zu einem Protonen­transport, der über den zuge­gebenen fluores­zierenden Farb­stoff Pyranin analy­siert werden konnte. Die Aus­wertung der sich ver­ändernden Fluoreszenz-Intensität zeigte eine Protonen­leit­fähig­keit von 9,2 × 10-8 Siemens pro Zentimeter. Dieser Wert lag um eine Größen­ordnung über der Protonen-Leit­fähig­keit von Wasser im makro­sko­pischen Maß­stab bei gleichem pH-Wert.

Mit diesem Experiment belegten die Forscher, dass eine ein­dimensionale Kette aus Wasser­molekülen Protonen besser trans­portieren kann als ein komplexes Molekül­netz­werk. Verant­wortlich dafür ist der in eine Richtung ausge­prägte Grotthuß-Mechanismus, bei dem sich sukzes­sive Wasser­stoff­brücken­bindungen lösen und wieder neu ver­knüpfen. Ein weiterer Versuch zeigte, dass sich dieser Protonen­transport in einer Umge­bung mit Calcium-Ionen kontrol­lieren und sogar stoppen ließ. Damit ähneln die mit Wasser gefüllten Nano­röhrchen bio­lo­gischen Ionen­kanälen in Zellen und könnten in Zukunft zur Entwicklung künst­licher Ionen­kanäle bei­tragen. Aber auch der Protonen­transport durch Membranen ließe sich mit einge­lagerten Nano­röhrchen beschleunigen – ein Effekt, von dem die Ent­wicklung besserer Brenn­stoff­zellen profi­tieren könnte.

Jan Oliver Löfken

RK

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