16.05.2018 - Chinese Academy of Sciences

Fingerabdrücke als Doppelbrechungsmuster

Mechanischer Stress kann in hoch geladenen, biologischen Makromolekülen dauerhafte geordnete Strukturen erzeugen

Responsive Materialien können auf externe Kräfte mit einem Phasenübergang reagieren. Auch Biopolymer-Tensid-Mischungen sind dazu fähig, wie eine Studie von deutschen und chinesischen Wissenschaftlern jetzt gezeigt hat. Die neuen Phasen bleiben dauerhaft bestehen und lassen sich durch optische Techniken einfach nachweisen. Eine interessante Anwendung wäre der biometrische Fingerabdruck. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.

Flüssigkristalle sind starre Moleküle, die je nach physikalischen Bedingungen verschiedene geordnete Phasen einnehmen können. Phasenübergänge wie Farbänderung, Hell-dunkel-Umschaltung oder Doppelbrechung werden durch Temperatur, Druck oder elektrische Ladung ausgelöst. Verändert wird dabei immer die Anordnung der Moleküle. Auch in Gelen oder sogar in Seifen (Mizellenbildung) können solche Übergänge ablaufen. Ein Wissenschaftler-Team um Andreas Herrmann von der Universität Groningen und Kollegen von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben nun ein bemerkenswertes fluides System aus einem hochgeladenen Polypeptid und kationischem Tensid entwickelt. Auf einfache Berührung hin wurde die viskose Flüssigkeit doppelbrechend. Feinste Strukturen wie Fingerabdrucklinien wurden im optischen Polarisationsmikroskop sichtbar.

Die Wissenschaftler erforschen das Verhalten von biologischen Fluiden. Für solche Fluide entwickelten sie hochgeladene Polypeptide, die zusammen mit entgegengesetzt geladenen Molekülen weiche Materialien mit interessanten Eigenschaften ergeben. Die Polypeptide bestanden hier aus Wiederholungseinheiten von fünf Aminosäuren; eine oder zwei Aminosäuren waren hierbei das negativ geladene Glutamat. Ein aromatisches Azobenzol mit positiver Ladung an einem Ende und einer hydrophoben Einheit am anderen bildete das kationische Tensid. Aus beiden Komponenten, dem Polypeptid und dem Tensid, stellten die Wissenschaftler dann eine wasserreiche, zähe, orangefarbene Flüssigkeit her. Die sirup-artige Mischung besaß keine molekulare Ordnung, die sich durch ein Beugungsmuster oder durch doppelbrechende Strukturen manifestiert hätte.

Dies änderte sich unter Belastung. Ein fließender Wasserstrahl oder die Berührung mit der Fingerspitze erzeugte doppelbrechende Muster, berichteten die Autoren. Diese Strukturen entsprächen den lyotropen flüssigkristallinen Phasen, wie sie bei Tensidmischungen auftreten. Neu ist, dass in diesen Biomaterialien die Strukturen selbst nach Beendigung der Belastung bestehen blieben und nicht in die Unordnung zurückkehrten. Die Muster zeichneten sogar sehr fein die Oberfläche des drückenden Objekts nach: In polarisationsmikroskopischen Aufnahmen ließen sich exakt die Erhebungen durch die Fingerlinien auslesen.

Im Prinzip wäre es also möglich, dass solche hochgeladenen Polypeptid-Fluide Grundlage für ein neues Fingerabdrucksystem werden könnten. Die derzeit gebräuchlichsten Fingerabdruck-Scanner (ohne Stempelfarbe) beruhen auf empfindlichen elektronischen Sensoren. Das hier präsentierte System würde für die Auslesung auf ein Polarisationsmikroskop zurückgreifen. Zunächst sollte jedoch geklärt werden, wie es genau zu den Phasenübergängen kommt und welche Mechanismen zugrunde liegen, stellen die Autoren klar.

  • Dr. Lei Zhang et al.; "Genetically Engineered Supercharged Polypeptide Fluids: Fast and Persistent Self‐Ordering Induced by Touch"; Angewandte Chemie; 2018

Chinese Academy of Sciences

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