Arndt Reuning: Der Chemiker David Leigh von der University of Manchester hat in seinem Forscherleben bereits einige Preise und Auszeichnungen errungen. Eine eher ungewöhnliche Ehre für einen Wissenschaftler ist vor einigen Tagen hinzugekommen: Er hat einen Guinness-Rekord aufgestellt – für den straffesten Knoten der Welt: ein Molekül aus rund zweihundert Atomen. Es besteht aus vier Schlaufen, die ineinander verschlungen sind und sich an acht Stellen kreuzen. Vor kurzem habe ich David Leigh getroffen und mit ihm über seine Molekülknoten gesprochen. Da er sich auch als Hobby-Zauberer betätigt, wollte ich von ihm wissen, ob er schon einmal darüber nachgedacht habe, Magie für seine Synthese zu benutzen.
David Leigh: Das wäre schön, wenn wir einfach Magie nutzen könnten. Aber in Wirklichkeit steckt jede Menge harter Arbeit dahinter. Dennoch: Die Prinzipien hinter unseren Synthesen erscheinen tatsächlich wie Magie. Eines davon ist die sogenannte Selbstorganisation. Die einzelnen Bauteile, aus denen wir die Moleküle aufbauen, entwerfen wir dabei so, dass sie sich im Reaktionskolben wie von ganz alleine zur Zielstruktur zusammensetzen. Das erfordert schon Einiges an Planung. Aber wenn man das einmal geschafft hat, dann ist es so, als würde man alle Teile einer Boeing 747 am Boden ausbreiten. Und dann würden sie zusammenspringen und sich zum fertigen Jumbo Jet vereinen, bloß weil man sie intelligent genug konstruiert hat.
Ähnlich wie bei einem Schnürsenkel am Schuh
Reuning: Aber ein fadenförmiges Molekül ähnelt nun nicht gerade einem Flugzeug. Wie kann ich mir das Verknoten der Moleküle vorstellen. Ähnlich wie bei einem Schnürsenkel am Schuh?
Leigh: Ja, allerdings nutzen wir ja die Selbstorganisation. Das heißt, der Senkel würde sich auch noch von alleine schnüren. Und das nicht nur einmal, denn in unserem Reaktionsgefäß befinden sich unzählige Moleküle. Die reagieren alle gleichzeitig nebeneinander. Das heißt, wir schnüren Milliarden von Milliarden von Milliarden Knoten alle zur selben Zeit.
Reuning: So ganz kann ich mir immer noch nicht vorstellen, wie Sie die Moleküle verknoten.
Leigh: Unsere erfolgreichste Technik besteht darin, dass wir die Molekülkette um eine Art Schablone, ein sogenanntes Templat, herum falten. Das kann man sie in etwa so vorstellen, wie wir als Kinder gelernt haben, die Schnürsenkel zu knoten: Wir überkreuzen die Senkel, und unsere Mutter legt dann ihren Finger darauf, bis wir mit der Schlaufe fertig sind. Als mütterlichen Finger verwenden wir Metall-Ionen, also die positiv geladenen Atome aus Metallsalzen. Dieses Ion hält alle molekularen Bauteile an ihrem Platz – während wir sie zweifach oder dreifach miteinander umschlingen und verknüpfen. Das nennt sich dann Templat-Synthese - ein wirkungsvolles Werkzeug, um solche verknoteten Moleküle herzustellen.
Die komplexesten Knoten
Reuning: Welchen Grad an Komplexität können Sie denn bei diesen Molekülknoten erreichen?
Leigh: Knoten an sich können tatsächlich unglaublich kompliziert werden. Mathematiker haben bislang über sechs Milliarden verschiedener Knoten beschrieben. Aber von den sechs Milliarden können Chemiker bisher nur vier Typen im Molekül verwirklichen. Der komplexeste Knoten, der uns bisher geglückt ist, weist acht Überquerungen auf. Acht Stellen, an denen sich die Molekülkette selbst kreuzt. Wir haben auch schon ein Molekül mit neun Überquerungen synthetisiert, aber dessen Synthese haben wir noch nicht veröffentlicht. Das dürfte dann der neue Rekord sein.
Reuning: Gibt es denn für die chemische Knotenforschung auch Anwendungen, oder ist das bloß eine Kuriosität?
Leigh: Das Knüpfen von Knoten hat für die Entwicklung der Zivilisation immer schon eine große Rolle gespielt. Wenn wir an die Menschen in der Steinzeit denken, die ihre Steinklingen an ihre Äxte gebunden haben. Oder die ihre Fischernetze geknüpft haben. Auf molekularer Eben dürfte das einen ähnlichen Fortschritt bedeuten. Wenn wir Molekülfaden verknoten oder damit beginnen, sie zu verweben – erhalten wir möglicherweise Werkstoffe mit bisher unbekannten, vorteilhaften Eigenschaften. Welche das sind und für welche Anwendungen sie in Frage kommen, können wir jetzt noch nicht sagen. Denn bisher schaffen wir es ja nur auf vier verschiedene Knotentypen. Und das reicht noch nicht aus, um wirklich zu wissen, wie wir das angehen sollen.
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