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Gleichmäßig oder homogen aufgebaute Materialen
haben eine kristalline Struktur und können deshalb mit einer einzigen
Längenskala und einem einzigen Zeitmaßstab beschrieben werden.
Mikroskopische Teilchen diffundieren in diesen Stoffen, bewegen sich
damit also - statistisch gesehen - sehr gleichmäßig und vorhersagbar,
in der Regel gemäß der Brownschen Molekularbewegung. Das geht sogar so
weit, dass diese "Brownschen Teilchen" als Sonden in unbekannten
Materialien eingesetzt werden können, um deren Eigenschaften zu
bestimmen. "Wenn es Abweichungen von der normalen Diffusion gibt,
deutet das auf komplexe Materialeigenschaften hin", berichtet Frey. In
ungeordneten oder heterogenen Materialien aber fehlt die typische
Längenskala, stattdessen weist das Material Poren verschiedenster
Größe auf, ,,durch die sich die Teilchen bewegen können. Es entsteht
in gewisser Weise ein dreidimensionales Netz mit kleinen und großen
Maschenweiten. "In biologischen Zellen beispielsweise kann man
beobachten, dass sich Proteine nicht in normaler, sondern anomaler
Diffusion bewegen", so Frey. "Man führt das auf die hohe Dichte und
die unregelmäßige Anordnung der zellulären Bausteine zurück, das zu
diesem so genannten 'molecular crowding' führt."
Die vorliegende Analyse beruht auf dem
Lorentz-Modell, das für den Transport von Partikeln in einem
ungeordneten Medium und daraus resultierenden, gleich bleibenden
Hindernissen für die Teilchen entwickelt wurde. Dieses Modell erlaubt
aber nur ganz grundsätzliche Vorhersagen für den verlangsamten und
ungleichförmigen Transport und stößt gerade in komplexeren Systemen
schnell an seine Grenzen. "Ursprünglich wurde das Lorentz-Modell 1905
eingeführt, um den Elektronentransport in verunreinigten Metallen zu
beschreiben, wobei die Verunreinigungen als Hindernisse zu sehen
sind", berichtet Frey. "Das funktionierte aber nicht sehr gut. In den
60er Jahren wurde das Modell wieder aufgegriffen, um den Transport
klassischer Teilchen in einem ungeordneten System zu beschreiben.
Dabei wurden unter anderem Anomalien gefunden, die auf korrelierte
Stöße mit den Hindernissen zurückzuführen und theoretisch sehr
schwierig zu handhaben sind. Erst seit unserer Arbeit ist klar,
wodurch die Lokalisierung der Teilchen bei hohen Hindernisdichten
verursacht wird. Ganz genau gelang uns erstmals die Beschreibung der
langsamen Dynamik und des Lokalisierungsüberganges bei sehr hoher
Hindernisdichte."
Diese Ergebnisse erlauben weite Anwendungen von der
Biologie zur Materialwissenschaft, weil sie universell für alle
ungeordneten Materialien gelten. "Wir aber denken insbesondere an
Anwendungen in der Biologie", meint Frey. "Langfristig besteht unsere
Zielrichtung darin, den Transport von Makromolekülen in Zellen zu
beschreiben. Und als nächsten Schritt haben wir vor, die Bewegung von
stäbchenförmigen Proteinen in einem so genannten 'crowded environment',
also einem Medium mit sehr hoher Hindernisdichte, zu analysieren.
Erste Hinweise haben wir schon. Das ist wichtig, um zu verstehen, wie
stark chemische Reaktionen durch die Dichte und Verteilung anderer
Proteine in Zellen beeinflusst werden." Ein weiteres wichtiges
Forschungsgebiet sind chemische Reaktionen in porösen Medien.
"Potential sehe ich daneben vor allem in der Nanotechnologie", so
Frey. "In diesem Bereich wird es immer wichtiger, zu verstehen, wie
chemische Reaktionen in nano-porösen Materialien ablaufen." (suwe) |
