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Wenn Wasser ohne Reibung fließt

Schnell und zuverlässig durchdringen ausgewählte Moleküle Membranen in lebenden Zellen. Über diesen permanenten Fluss wird zum Beispiel der Wasseranteil im Blut oder Urin kontrolliert. Er bildet daher eine Grundlage für das Leben. Amerikanische Forscher simulierten solche Fließeigenschaften nun in künstlichen Membranen und erkannten, dass Wassermoleküle auch hier nahezu ohne jeden Widerstand geleitet werden können. Dieses Ergebnis, über das sie im Fachblatt „Proceedings of the National Academy of Sciences“ berichten, könnte zu einer neuen Klasse hoch effizienter, reibungsfreier Leitungssysteme auf kleinsten „Lab-on-Chip“-Systemen führen.

„Mit der Simulation der molekularen Dynamik von Wassermolekülen untersuchten wir den osmotisch angetriebenen Transport von Wasser durch Membranen aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen“, schreiben Amrit Kalra und Kollegen von den National Institutes of Health in Bethesda und vom Rensselaer Polytechnic Institute in Troy. Als Vorbild für ihre „Computermembran“ nutzten sie wasserleitende, so genannte Aquaporin-Kanäle, die sich in den Membranen lebender Zellen befinden.

In ihrer Simulation diente wie in der Natur osmotischer Druck als Antrieb für den Fluss der Wassermoleküle. Dieser baut sich auf, wenn zwei Flüssigkeiten unterschiedliche Anteile an im Wasser gelösten Teilchen enthalten und durch die Membran hindurch versuchen, diesen Konzentrationsunterschied auszugleichen.

Klar kristallisierte sich in den Berechnungen der Forscher heraus, dass sich die Wassermoleküle in die rund ein Millionstel Millimeter dünnen Nanoröhrchen zwängen und wie die Glieder einer Kette durch eine geöffnete Hand durch den winzigen Wasserkanal tröpfeln. Auf atomarer Ebene traten zudem keine Reibungsverluste bei diesem Fluss auf.

Nach Abschätzungen der möglichen Flussrate kamen die Forscher wegen der mangelnden Reibung auf die enorme Zahl von bis zu fünf Milliarden Wassermolekülen pro Sekunde. Auch in natürlichen Aquaporin-Kanälen in Zellen wurden schon ähnliche Werte gemessen.

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Dieses Flussverhalten auf molekularer Ebene steht so in keinem Vergleich zu einem klassischen Röhrensystem, wie es zum Beispiel zwischen Wasseranschluss und Badewanne zu finden ist. Zudem zeigte sich die Flussrate völlig unabhängig von der Länge des Nanoröhrchens.

Zum einen können diese Ergebnisse die lebensbegründenden Prozesse in Zellen besser erklären helfen. Zum anderen hoffen die Forscher auch, dass ihre Erkenntnisse bei der Konstruktion von noch leistungsfähigeren Mikro- bis Nanolaboren, die auf einem winzigen Chip Platz finden, beachten werden. Neben solchen „Lab-on-Chip“-Systemen zu Analysezwecken wären mit den reibungslosen Nano-Membranen auch effektivere Einsalzungsprozesse und mikroskopische Versorgungsleitungen möglich.

Jan Oliver Löfken
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