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Eiswürfel herzustellen ist simpel: Man nehme eine Eiswürfelform aus Kunststoff, wie sie in den meisten Haushalten zu finden ist, befülle sie mit Wasser und stelle sie ins Tiefkühlfach. Es dauert nicht lange, und das Wasser kristallisiert, wird zu Eis. Würde man die Kristallstruktur von Eis analysieren, würde man erkennen, dass sich die Wassermoleküle in regelmässigen dreidimensionalen Gitterstrukturen angeordnet haben. Im Wasser hingegen liegen die Moleküle ungeordnet vor, was der Grund dafür ist, dass Wasser fliesst.
Chemiker und Physikerinnen der ETH Zürich und der Universität Zürich um die Professoren Raffaele Mezzenga und Ehud Landau haben nun einen ungewöhnlichen Weg gefunden, um zu verhindern, dass Wasser selbst bei tiefsten Temperaturen Eiskristalle bildet, und damit seinen ungeordneten Zustand beibehält.
Die Forschenden haben zuerst eine neue Klasse von Fettmolekülen, von sogenannten Lipiden entworfen und synthetisiert und damit ein neuartiges «weiches» Material geschaffen. In dieser sogenannten Lipid-Mesophase organisieren sich die Lipide automatisch selbst und lagern sich ähnlich wie natürliche Fettmoleküle zu Membranen zusammen. Diese ordnen sich in regelmässigen Formen an, etwa als Geflecht von vernetzten Kanälen von weniger als einem Nanometer Durchmesser. Temperatur, Wassergehalt und die neue Struktur der Lipidmoleküle bestimmen, welche Struktur die Lipid-Mesophase annimmt.
Der Clou daran ist, dass in den engen Kanälen kein Platz für die Kristallbildung ist; Wasser kann somit anders als in der Eiswürfelform selbst bei tiefsten Temperaturen nicht kristallisieren. Auch die Lipide gefrieren nicht. Eine Lipid-Mesophase, die aus einem chemisch modifizierten Monoacylglycerol bestand, konnten die Forschenden in flüssigem Helium sogar auf minus 263 Grad Celsius abkühlen, also nur 10 Grad über den absoluten Nullpunkt, ohne dass sich Eiskristalle bildeten. Wasser wurde bei dieser Temperatur glasartig, wie die Forscher nachweisen und mit einer Simulation bestätigen konnten. Die entsprechende Studie über dieses ungewöhnliche Verhalten von Wasser wurde soeben in der Fachzeitschrift «Nature Nanotechnology» veröffentlicht.
«Wichtig ist das Verhältnis von Lipiden zu Wasser», erklärt Raffaele Mezzenga, Professor für Lebensmittel und weiche Materialien der ETH Zürich. Der Wassergehalt des Gemischs bestimmt, bei welchen Temperaturen sich die Geometrie der Mesophase ändert. Besteht das Gemisch beispielsweise aus 12 Volumenprozent Wasser, ändert bei rund minus 15 Grad der Aufbau der Mesophase. Aus einem kubischen Labyrinth wird eine geschichtete Laminatstruktur.
«Das schwierigste bei der Entwicklung dieser Lipide ist ihre Synthese und Aufreinigung», sagt Ehud Landau, Professor für Chemie der Universität Zürich. Dies sei dem Fakt geschuldet, dass Lipidmoleküle aus zwei Teilen bestünden, einem hydrophoben, also wassermeidenden, und einem hydrophilen, also wasserliebenden. «Das macht das Arbeiten mit ihnen enorm schwierig.»
Das weiche Material, das aus den Lipidmembranen und Wasser entsteht, besitze eine komplizierte Struktur. Sie sei so aufgebaut, dass der Kontakt von hydrophoben Teilen mit Wasser minimiert und die Kontaktfläche zwischen hydrophilen Teilen und Wasser maximiert würden. Vorbild für die Entwicklung der neuen Fettmoleküle sind Membranen von gewissen Bakterien. Diese produzieren eine spezielle Klasse von Lipiden, die sich ebenfalls selbst organisieren und natürlicherweise Wasser einschliessen. Diese ermöglicht den Mikroorganismen das Überleben in sehr kalten Lebensräumen.
«Neu an unseren Lipiden ist, dass dreigliedrige Kohlenstoffringe in bestimmte Positionen der hydrophoben Teile des Moleküls eingebaut wurden», sagt Landau. «Dies führt zu einer Krümmung der Lipide, was die winzigen Wasserkanäle schafft und verhindert, dass die Lipide kristallisieren können.» Genutzt werden können die neuen Lipid-Mesophasen vor allem von anderen Forschenden. Mit solchen Materialien lassen sich grosse Biomoleküle zerstörungsfrei isolieren, aufbewahren und in einer membranähnlichen Umgebung untersuchen, zum Beispiel mittels der Kryo-Elektronenmikroskopie. Biologen nutzen dieses Verfahren immer häufiger, um die Strukturen und Funktionen von grossen Biomolekülen wie Proteinen oder grossen Molekülkomplexen aufzuklären.
«In der Regel beschädigen und zerstören Eiskristalle, wie sie beim normalen Einfrieren entstehen, Membranen und lebenswichtige grosse Biomoleküle», sagt Raffaele Mezzenga. «Das verhindert die Aufklärung ihrer Struktur und ihrer Funktionen, wenn sie mit Lipidmembranen wechselwirken.» Nicht so die neue Mesophase. Sie konserviert solche Moleküle in ihrem ursprünglichen Zustand und zusammen mit den Lipiden. «Wir legen mit dieser Arbeit die Grundlage dafür, wie künftig Proteine in ihrer ursprünglichen Form bei sehr tiefen Temperaturen erhalten werden und mit Lipidmembranen interagieren können», sagt der ETH-Professor.
Eingesetzt werden könnte diese neue Klasse des weichen Materials auch in Anwendungen, wo Wasser nicht gefrieren darf. «Exotische Anwendungen standen für uns allerdings nicht im Vordergrund», sagt Mezzenga, «uns lag mehr daran, der Forschung ein neues Instrument in die Hand zu geben, um die Untersuchung von molekularen Strukturen zu erleichtern und auch um zu verstehen, wie zwei Hauptbestandteile des Lebens – Wasser und Fett – unter extremen Temperaturen und geometrischer Eingrenzung miteinander interagieren.»
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