Wissenschaftler schaffen den festesten Knoten der Welt: aber das Besondere ist, woraus er gemacht ist

Knoten sind ein grundlegendes Element des täglichen Lebens und auch aus philosophischer und wissenschaftlicher Sicht etwas sehr interessantes. Es gibt zum Beispiel eine mathematische Theorie der Knoten, und mehrere Forscher haben Knoten gefunden, die aus sehr wenigen Atomen bestehen. Bis hin zu dem Team, das einen Rekord aufstellte und den engsten Knoten der Welt schuf: Aus nur 54 Atomen.

Immer festere Knoten, die Rekorde brechen

Exhibit made by Estes Objethos Atelier, photo by Rodrigo.Argenton/Wikimedia Commons - CC BY-SA 4.0 DEED

Knoten, die durch die Verflechtung von Molekülfäden an verschiedenen Knotenpunkten entstehen, sind in der Chemie schon seit einigen Jahren in aller Munde. So gelang einem Team der Universität Manchester im Jahr 2017 ein noch nie dagewesener Knoten aus acht Kreuzungen in einem geschlossenen Kreislauf aus 192 Atomen. Das Ziel war damals wie heute ganz klar: Fortschrittliche Materialien zu schaffen, die leicht, stark und flexibel sind. Kurz gesagt: Die Suche nach den engsten Knoten ist kein Selbstzweck, sondern könnte sich auf die Forschung und das wirkliche Leben auswirken. Wie Professor David Leigh, der Hauptautor der Studie, bekräftigte, wurden die Knoten durch das Weben molekularer Fäden um Metallionen mit strickähnlichen Überschneidungen hergestellt. Und zum Ergebnis sagt er:

Kugelsichere Westen werden aus Kevlar hergestellt, einem Kunststoff, der aus starren, parallel ausgerichteten Molekularstäben besteht. Das Verweben von Polymerfäden hat jedoch das Potenzial, viel stärkere, leichtere und flexiblere Materialien für die Umwelt zu schaffen.

Der engste Knoten der Welt wurde im Labor hergestellt: Er besteht aus nur 54 Atomen

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Nur drei Jahre nach der Arbeit von den Forschern in Manchester ist einem Team chinesischer und amerikanischer Wissenschaftler etwas noch nie Dagewesenes gelungen. Im Rahmen der Erforschung von Molekülknoten gelang es ihnen, eine Kette aus 69 Atomen dreimal über sich selbst zu kreuzen und so den engsten je gesehenen Knoten zu schaffen. Und das übertrifft das außergewöhnliche Ergebnis von 2017. Gleichzeitig stellten die Forscher fest, dass das Verhältnis zwischen der Anzahl der Atome und der Kreuzungen mit der Stärke des Molekülknotens zusammenhängt. Je niedriger dieses Verhältnis ist, desto stärker ist der Knoten.

Ein paar Jahre vergehen, und dasselbe chinesische Team verkündet in einer kürzlich in Nature Communications veröffentlichten Studie, dass es diesen Rekord gebrochen hat. Im Labor hat es in der Tat einen molekularen Knoten aus 54 Atomen mit drei Kreuzungen geschaffen, der damit der engste Knoten der Welt ist. Aber wie war das möglich?

Wie ist der engste Knoten der Welt entstanden?

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Kurz gesagt, durch Zufall. Das chinesisch-amerikanische Team, das für den bisher engsten Knoten der Welt verantwortlich war, arbeitete im Labor an der Herstellung von Metallacetyliden. Durch die Verbindung des Goldacetylids mit einem diphosphinischen Liganden, einer Kohlenstoffstruktur, gelang es ihnen, statt einer Kette einen dreifach vernetzten Knoten zu schaffen. Aus chemischer Sicht ist dies der engste Knoten der Welt, da er aus 54 Atomen besteht. Wenn wir auf das Verhältnis der Anzahl der Atome zu den Kreuzungen zurückkommen, so waren es im Jahr 2020 63, in diesem Fall sind es 18. Dadurch ist der neue Knoten, der im Labor geschaffen wurde, viel stärker als der vorherige.

Wie wir bereits gesagt haben, hat die Schaffung immer kleinerer molekularer Knoten erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung besserer Materialien. Gleichzeitig kann sie uns helfen, die mikroskopischen Knoten in unserem Erbgut, in der RNA und in den Proteinen besser zu verstehen. Oder einen weiteren winzigen Rekord brechen.