Univ.-Prof. Dr. Martin K. Beyer
Chemische Physik
Die Arbeitsgruppe Chemische Physik am Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik erforscht Mechanismen chemischer Reaktionen unter idealisierten Bedingungen. Für die Experimente verwenden wir hochauflösende Massenspektrometer, um unter Ultrahochvakuumbedingungen isolierte Cluster zu untersuchen. Für die Spektroskopie und Photochemie kommen die Laser der Innsbruck Laser Core Facility zum Einsatz. Mit einem Rasterkraftmikroskop werden chemische Reaktionen in einzelnen Polymermolekülen mechanisch erzwungen. Quantenmechanische Berechnungen erklären die experimentellen Beobachtungen. Mit diesen Methoden untersuchen wir die Natur chemischer Bindungen und erklären vielfältige Phänomene, von der photochemischen Alterung von Seesalzaerosolen in der Atmosphäre über molekulare Katalysatoren und eisenhaltige Moleküle im Weltall bis hin zu polymeren Funktionsmaterialien.
In der Ionenfalle im Ultrahochvakuum eines Massenspektrometers laufen chemische Reaktionen in Zeitlupe ab, weil pro Sekunde nur ca. ein Stoß eines Clusters mit einem Molekül eines Reaktionsgases stattfindet. Dadurch können wir den Ablauf der Reaktion genau verfolgen. Weiters verwenden wir durchstimmbare Laser, um photochemische Reaktionen einzuleiten und um die Struktur der Cluster und ihrer Reaktionsprodukte aufzuklären. Mit diesen Methoden untersuchen wir das Verhalten von Seesalzaerosolen in der Atmosphäre genauso wie die Wasserstoffentwicklung an Metallionen, die in einem Wassercluster gelöst sind, und erhalten Einblick in die fundamentalen Eigenschaften von chemischen Bindungen.
Mit Glyoxylat dotierte Natriumchloridcluster dienen als Modellsystem für Seesalzaerosole in der Erdatmosphäre.
Ein wichtiger Faktor für eine erfolgreiche Arzneimittelapplikation ist die Internalisierung der Trägersysteme in die Zielzellen. Aufgrund des anionischen Charakters der Zellmembran und oberflächlicher Proteine mit mehreren Thiol-Funktionalitäten, führt die Einführung kationischer oder thiolisierter Einheiten auf Arzneimittelträgern zu einer stärkeren Zellmembranassoziation, und folglich zu einer verbesserten Zellaufnahme. Wir haben bereits mehrere Oligo- und Polymersysteme sowie Nanopartikel mit zahlreichen kationischen und/oder Thiol-Einheiten synthetisiert und auf verschiedenen Zelllinien untersucht. Unsere Experimente zeigen, dass diese modifizierten Trägersysteme in größerem Umfang in die Zellen eindringen können als die nicht modifizierten Analoga. Des Weiteren wirkt die Efflux-Aktivität von Zellmembran-Glykoproteinen der verstärkten Akkumulation von Wirkstoffen in den Zellen entgegen, senkt deren Konzentration am Zielort und führt zu verringerten therapeutischen Ergebnissen und potenzieller Arzneimittelresistenz. Thiolisierte Oligomere zeigten ein hohes Potenzial zur Hemmung eines solchen Effluxes und könnten somit die Bioverfügbarkeit verschiedener Therapeutika verbessern.
Mit dem Infrarotspektrum von Ar2FeH+ haben wir das erste Spektrum des im interstellaren Medium vermuteten Molekülions FeH+ vorgelegt.
Polymere Funktionsmaterialien auf der Basis von Mechanophoren versprechen neuartige Werkstoffeigenschaften, z.B. die Selbstheilung von Bindungsbrüchen oder das Anzeigen einer mechanischen Überlastung durch eine Farbänderung. Wir untersuchen die mechanischen Kräfte, die diese Funktionen auslösen, am einzelnen Molekül. Mit dem Rasterkraftmikroskop wird ein einzelnes Molekül zwischen einer Oberfläche und einer mikroskopisch kleinen Spitze verankert und mechanisch gespannt. Dabei messen wir die Kraft, mit der eine chemische Reaktion, z.B. der Bruch einer chemischen Bindung oder die Aktivierung eines latenten Katalysators, erzwungen wird.
Ein latenter Katalysator wird mechanisch aktiviert: Durch die mechanische Belastung wird eine Bindungsstelle am Kupferion freigelegt. Diese ist Voraussetzung für eine katalytische Reaktion.