(per) Moleküle können in zwei Formen vorkommen, die sich zueinander wie die rechte und linke Hand verhalten und sich nicht zur Deckung bringen lassen. Dieses Phänomen nennen Fachleute Chiralität. Auch bei Arzneimitteln kann diese Händigkeit von Molekülen vorkommen – und unerwünschte Nebenwirkungen haben. Während die eine Form Heilung verspricht, kann die andere im Körper Schäden anrichten. In der pharmazeutischen Industrie sind deshalb Trennmethoden gefragt, eine davon ist die Kristallisation. Unter bestimmten Umständen lagert sich am wachsenden Kristall nur eines der beiden Moleküle an. Wie und warum sich die chiralen Formen beim Kristallisieren trennen, ist jedoch noch unbekannt.

Wachstum vorbestimmen

Anhand des Moleküls Chelicen ist es Forschern der Empa unter der Leitung von Karl-Heinz Ernst nun gelungen, das Wachstum von zweidimensionalen Kristallen vorzubestimmen und damit eventuell die Grundlage für reine Kirstalle zu bilden. Ihre Ergebnisse werden diese Woche in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

In ihrer Arbeit dampften die Forscher Helicen auf eine Kupferoberfläche auf. Helicen ist wie eine Wendeltreppe aufgebaut und besteht aus sieben aneinander gereihten Kohlenwasserstoffringen. Bei der einen Form ist die "molekulare Wendeltreppe" nach links gedreht, bei der anderen nach rechts. Von dieser Substanz nahmen die Forscher nur so viel wie nötig war, um eine Schicht zu erhalten. Benutzten die Wissenschaftler reines, links gedrehtes Helicen, kristallisierten die Moleküle entsprechend aus und verhielten sich wie ein Spiegelbild zu einem Kristall aus reinem, rechts drehendem Helicen.

Bei einem Gemisch der beiden Formen entstand ein Mischkristall. Die Empa-Forscher nahmen ursprünglich an, die Moleküle hätten sich getrennt. Erst die genaue Untersuchung mit dem Rastertunnelmikroskop belehrte die Wissenschaftler eines Besseren: Beide Kristallformen zeigten eine ungewöhnliche Zickzack-Struktur, die sich deutlich von Kristallstrukturen reiner Helicenmoleküle unterschied. Die Bausteine des Kristalls waren denn auch nicht einzelne Moleküle, sondern Paare mit Partnern von unterschiedlicher Händigkeit. Und da sich die Moleküle auf zwei spiegelbildliche Arten anlagerten können, ergaben sich zwei Kirstallformen.

Verhältnis macht den Unterschied

Mit einem Kniff „überlisteten“ die Empa-Forscher jedoch Vorliebe der Moleküle für ihr Spiegelbild. Waren die links drehenden Helicen-Moleküle in der Überzahl, bildeten sich auf der gesamten Kupferoberfläche nur eine Kristallform. Die überschüssigen Helicenmoleküle, die keinen Partner fanden, sassen an den Rändern des Kristalls und zwangen diesen dazu, eine bestimmte Struktur anzunehmen. Studienleiter Karl-Heinz Ernst ist nun zuversichtlich, dass diese zweidimensionale Anordnung als Keim für dreidimensionale Kristalle dienen kann.