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Molekültrennung mit geformten
Laserpulsen |
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Physiker entwickeln neues Verfahren, das
evolutionäre Strategie nutzt. |
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Es war die Natur, die als Vorbild für die
Entwicklung einer neuen Methode diente, mit der Moleküle und Isotope
getrennt werden können. Für das patentreife Verfahren, das
Experimentalphysiker an der Freien Universität Berlin entwickelt
haben, wenden die Forscher evolutionäre Optimierungsstrategien an. Das
Team um Dr. Albrecht Lindinger und Prof. Dr. Ludger Wöste variiert die
Form der Laserpulse so lange, bis eine optimale Trennung der Moleküle
erreicht wird. Diese überraschend effektive Methode erlaubt es im
Prinzip, jedes Molekülgemisch ohne vorherige Kenntnis der molekularen
Eigenschaften nach seinen Komponenten aufzuteilen. Praktische
Anwendungen dieses gerade erst veröffentlichten Ergebnisses sind in
den Bereichen Pharmazie und Medizintechnik zu erwarten. Die Erfindung
ist von der Freien Universität Berlin beim Deutschen Patent- und
Markenamt und gerade kürzlich auch beim US-Patentamt eingereicht
worden. |
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Um Moleküle oder Isotope zu trennen, bedarf es oft
langwieriger, komplizierter Verfahren zur räumlichen Separierung (z.B.
Zentrifugentechniken), die erst nach Ausführung mehrerer
Einzelschritte zum Erfolg führen. Auch die bislang verwendeten
Laser-Trennmethoden mit Hilfe kontinuierlicher Strahlung, die auf
kleinen spektralen Linienverschiebungen beruhen, sind relativ
aufwendig, da sie auf eine genaue Kenntnis der molekularen
Eigenschaften angewiesen sind. Zudem erlauben sie nur, einen gewissen
Anteil des Gemisches zu trennen. Hier bietet sich der von den
Forschern der Freien Universität gewählte neue Ansatz an. Sie nutzen
das Laserlicht von extrem kurzen Pulsen aus, das einen breiten
Spektralbereich überdeckt, und überlassen es einem evolutionären
Algorithmus, die optimale Form des Laserpulses in der Zeit und
Frequenz selbstständig zu finden. Auf diese Weise könnte prinzipiell
jedes molekulare Gemisch ohne genaues vorheriges Wissen seiner
Eigenschaften in einem Schritt separiert werden.
Das neuartige Verfahren beruht im Wesentlichen auf
der Verwendung eines Pulsformers, der das La-serlicht mit Hilfe eines
Gitters in seine Spektralfarben zerlegt. Der Pulsformer verzögert dann
mit hoher Genauigkeit die Spektralfarben einzeln oder variiert sie in
ihrer Intensität und führt sie anschließend mit einem zweiten Gitter
zu einem geformten Puls zusammen. Die so erzeugten Pulse werden auf
einen Molekularstrahl gerichtet und führen dort zur elektronischen
Anregung und gegebenenfalls zur Ionisierung der Moleküle.
Das Ziel des speziell für diesen Zweck
programmierten evolutionären Algorithmus ist es, die ge-wünschte
Molekülsorte vorwiegend anzuregen, während die anderen Molekülsorten
an einer effektiven Anregung gehindert werden. Dazu wendet er in einer
Rückkopplungsschleife wiederholt aus der Natur bekannte Konzepte der
Evolution an. So wird die dort auftretende Erzeugung von Nachkommen
durch Vertauschen von Pulselementen, die Mutation durch Hinzufügen
eines zufälligen Wertes und die so genannte Auslese der Besten durch
Auswahl der effektivsten Pulse simuliert. Der auf diese Weise
gefundene optimierte Puls nutzt geringe Unterschiede der Eigenschaften
der beteiligten Molekülsorten - wie zum Beispiel hinsichtlich der
energetischen Lage der Quantenzustände oder der Dauer der auftretenden
Schwingungsperioden - optimal aus, um simultan alle auftretenden
Zustände einer Molekülsorte selektiv anzuregen.
Ein weiterer Vorteil der vorgestellten Methode
besteht darin, dass man zusätzlich durch eine Analyse der ermittelten
optimalen Pulsform Einblick in den zugrunde liegenden Anregungsprozess
selbst erhalten kann. Insbesondere können so Informationen über die
Dynamik auf den Schwingungsniveaus der beteiligten elektronischen
Zwischenzustände gewonnen werden. Wissenschaftlich besonders relevant
ist dabei die Möglichkeit des zeitlich und spektral präzisen
Ansprechens der einzelnen Schwingungsfunktionen durch die
unterschiedlichen Pulskomponenten.
Mögliche Anwendungsfelder für diese Methode sind in
der chemischen Industrie, der Pharmazie und der Medizintechnik zu
erwarten. Insbesondere die Trennung von Molekülen, die mit anderen
Verfahren schwer oder überhaupt nicht separierbar sind, könnte dort
zum Einsatz kommen. Isotopenselektion für die in der Medizin
verwendete so genannte Tracer-Methode, bei der schwach radioaktiv
strahlende Substanzen in den Körper gebracht werden, ist da nur ein
Beispiel von vielen.
Die Arbeitsgruppe um den Experimentalphysiker Prof.
Dr. Ludger Wöste ist schon seit einiger Zeit in dem Bereich der
optimalen Kontrolle tätig. Sie hat sich aber auch auf anderen Gebieten
mit Patenten über das "Zähmen von Blitzen" und den "Regenwächter"
einen Namen gemacht. |
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13. August 2004 |
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Quellen und weitere Informationen: |
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© 2004 ChemLin, aktualisiert am
30 April 2011
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