Vorlesungsskript Physik IV - Walther Meißner Institut - Bayerische ...

Kapitel 9MoleküleMoleküle sind Atomverbände, wobei zwischen den Atomen genügend starke Bindungskräfte herrschen,damit das Molekül nach außen als abgeschlossene Einheit betrachtet werden kann. Andererseits ist dieBindung der Atome zu einem Molekül schwächer als die Bindungskraft innerhalb eines einzelnen Atoms,so dass die elektronische Struktur der einzelnen Atome weitgehend erhalten bleibt bzw. durch die Bindungder Atome zu einem Molekül nur leicht modifiziert wird. Die Bindung der Atome zu einem Molekülebeeinflusst in der Regel nur die Elektronen in der äußersten Schale der beteiligten Atome, die sogenannten Valenzelektronen, die für die chemischen Eigenschaften der Atome von zentraler Bedeutungsind. Die Bindung der Atome zu einem Molekül beeinflusst daher maßgebend die chemischen Eigenschaften,so dass wir bei Molekülen hinsichtlich der chemischen Eigenschaften von einer neuen Substanzsprechen können.Der Begriff Molekül schließt nach dieser Definition so einfache Dinge wie Wasserstoff (H 2 ) und Sauerstoff(O 2 ) genauso mit ein, wie künstliche Polymere, Proteine oder die extrem komplexe DNA. Dabeispricht man in letzteren Fällen aufgrund ihrer beträchtlichen Größe und Komplexität auch von supramolekularenObjekten. Supramolekulare Objekte können wir uns aus kleineren molekularen Untereinheitenaufgebaut denken. 1 Entscheidend dafür, was man als Molekül auffasst, sind letztendlich die chemischenEigenschaften, für die man sich interessiert. Moleküle können die Bausteine sowohl von Clustern alsauch von Festkörpern sein. Entscheidend dafür, ob ein Festkörper als molekular bezeichnet wird, istdie Existenz unterscheidbarer Energieskalen. Die Atome der molekularen Einheiten müssen wesentlichstärker aneinander gebunden sein als Atome, die verschiedenen Einheiten angehören. Dies kann mansehr schön am Beispiel der Polymerisation von Fullerenen verstehen (siehe Abb. 9.1).Moleküle sind grundsätzlich in allen Aggregatszuständen anzutreffen. Das Studium ihrer Eigenschaftenist von eminenter Bedeutung für nahezu alle naturwissenschaftlichen und viele technische Disziplinen.Insbesondere die Komplexität der belebten Natur hat ihren Ursprung in der Vielfalt molekularer Systeme.2 Dabei wird die Bedeutung physikalischer Eigenschaften von Molekülen für deren biologischeFunktion erst nach und nach erkannt. 3 Die Frage der Bildung (zur Selbstorganisation siehe Abb. 9.2) sowieder Evolution makromolekularer Strukturen (Proteinfaltung) ist noch weitgehend unverstanden. Wiez.B. entsteht der natürliche Verbundwerkstoff Holz aus Zuckermonomeren? Welche Rolle spielt dabeidie Selbstorganisation der Zwischenprodukte? Welche Rolle kommt den an der Herstellung beteiligtenEnzymen zu? Wie bilden sich biologische Membranen und künstliche Schäume? Was passiert beim Kuchenbacken,der Extrusion von Polymeren? Die Liste der Fragestellungen ist nahezu unerschöpflich.1 So bestehen z.B. die auf der Erde am häufigsten vorkommenden, natürlichen Makromoleküle Stärke und Zellulose ausZuckermonomeren.2 So kodiert die menschliche DNA in etwa 100 000 verschiedene Proteine.3 Es existiert z.B. ein Zusammenhang zwischen der molekularen “Beweglichkeit” und der Faltung von Proteinen.313