Frostschutz mit künstlichen FettenWie stark unterkühltes Wasser flüssig bleibt

Gerade beginnt der Sommer und Eiswürfel sind zum Kühlen von Getränken sehr beliebt. Aber nicht immer und überall sind sie erwünscht. Schweizer Forschungsgruppen haben ein System geschaffen, in dem Wasser noch bei extrem niedrigen Temperaturen flüssig bleibt. Es handelt sich um ein Gerüst aus Fettmolekülen, durch dessen Kanäle Wasser fließt und nicht gefriert.

 

Modell des Lipidgerüsts

Die Lipide lagern sich zusammen und bilden ein dreidimensionales Netzwerk, in dessen Zwischenräumen Wasser auch bei kältesten Temperaturen nicht gefriert. Grafik: © ETH Zürich

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Von Pflanzen und Tieren sind Frostschutzmittel bekannt. Einige wie Zucker wirken über starke Wechselwirkungen mit dem Wasser, sodass dessen Gefrierpunkt sinkt. Andere verhindern mechanisch, dass die Eiskristalle anwachsen. Dieses können Glykoproteine, also Proteine, die Zuckerreste tragen, die sich um die Kristallisationskeime herum lagern. Diese Idee wurde nun von einer Kooperation von Forschungsgruppen in Zürich umgekehrt. Die langkettigen Fettmoleküle bilden geringe Hohlräume: Dem Wasser wurde nur wenig Raum gewährt, sodass es sich nicht zu Eiskristallen ordnen kann.

Die Hohlräume in dem Lipidgerüst sind Poren, die sich zu Kanälen verbinden, der Durchmesser erreicht nicht mal einen Nanometer. Darin ist schlicht zu wenig Platz für ein Kristallgitter. Wie aber organisiert sich dieses Gitter?

Lipide zeichnen sich generell durch eine lange Kohlenwasserstoffkette auch, die das Molekül zumindest an einem Ende wasserabweisend (hydrophob) und fettanziehend (lipophil) macht. Membranen werden durch Lipide aufgebaut, die eine hydrophile Kopfgruppe haben und deren Kohlenwasserstoffkette ein langer Rest ist, der sogenannte Schwanzteil des Moleküls. Daraus ergibt sich, wie sich die Moleküle orientieren und anordnen. Grenzflächen werden oft durch solche amphiphilen – beide Seiten anziehenden – Moleküle besetzt.

Flüssigkristalle und Wasser im Glaszustand

Das neue Material ist weich und besteht aus neu geschaffenen Fettmolekülen. Diese Lipide lagern sich selbst zusammen und bilden eine Art Membran, deshalb wird von einer Lipid-Mesophase gesprochen.

Der Begriff Mesophase beschreibt den Zustand eines Materials zwischen flüssiger und fester Phase. Gelatine ist eine Mesophase: Ein Gel, in dem Kristalle teilweise geordnet vorkommen. Auch Membranen aus Lipiddoppelschichten sind typische Mesophasen; bestehen sie doch aus geordneten Lipiden und sind dennoch kein Festkörper. Bereits Georges Friedel (1865-1933) befasste sich mit dem „mesomorphen Zustand von Materie“, zu denen auch Flüssigkristalle zählen. Der Kristallograph war der Sohn des Chemikers Charles Friedel, nach dem die Friedel-Crafts-Reaktion benannt wurde.

Zurück zur Mesophase, denn das genannte Beispiel Membranen führt auf den richtigen Weg. Tatsächlich ordneten sich die neu geschaffenen Lipide und bildeten Gitter oder auch Membranen. Einfluss auf die Struktur hatten die Temperatur, der Salzgehalt und die Menge des eingelagerten Wassers.

Unordnung innerhalb selbstorganisierter Strukturen

In der Schweizer Studie wurden Experimente und Simulationen kombiniert. Das Ergebnis sind Wasser-Lipid-Phasendiagramme mit Bereichen, in denen sich die Flüssigkristalle kubisch oder lamellar anordnen. Das Wasser kommt flüssig, glasartig vor und gefriert erst bei 10 Kelvin, also knapp über dem absoluten Nullpunkt. Dabei beeinflusst der Anteil des Wassers auch, wie sich die Lipide anordnen: kubisch oder wie Lamellen übereinander geschichtet. Die beiden Stoffe stören sich gegenseitig bei der Kristallisation, sodass keiner fest wird. Die Struktur der Lipide wurde an bestimmten Stellen durch Kohlenstoffringe abgeknickt und dabei versteift. Diese Krümmung ist wesentlich für den Aufbau der Gerüste mit Poren.

Mit künstlichen Membranen empfindliche Moleküle einhüllen und untersuchen

Das Material für die neuen Membranen zählt zu dem Bereich der Bionik: Aus der Natur inspirierte technische Innovationen. In diesem Fall standen Bakterien Pate, die noch bei extremer Kälte überleben. In der Forschung helfen solche künstlichen Membranen bei der Untersuchung von großen Proteinen, die gekühlt untersucht werden. Was aufwändig klingt, ist doch ein großer Schritt, um große Moleküle, die normalerweise eine Hydrathülle haben, ohne Eiskristalle untersuchen zu können.

Zum Weiterlesen:

Bericht von der Eidgenössischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) und der Universität Zürich: Link

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