Die Erfindung bezieht sich auf eine nanoskalierte Funktionsschicht gemäß. dem Anspruch 1.

Insbesondere handelt es sich dabei um eine Schicht aus synthetisierten Polypeptiden, deren Struktur einen insbesondere kollektiven Konformationsübergang zuläßt. Diese Moleküle werden erfindungsgemäß, in dünnen selbstorganisierenden Schichten auf Festkörpern abgeschieden, um die z. B. durch Wärme oder Licht stimulierte Konformationsänderung auszunutzen, die sonst nur in biologischen Systemen auftritt. Dabei erlauben die erfindungsgemäßen ultradünnen Schichten neue technische Anwendungen im Bereich der Nanotechnologie.

Es ist bekannt, die Umwandlung chemischer Energie in mechanische Arbeit direkt auf die Faltung und Assoziation bzw. auf die Entfaltung und Dissoziation von Proteinstrukturen zurückzuführen. Bekannte Modellproteine leiten sich von Wiederholungssequenzen des in Säugetieren auftretenden Proteins Elastin ab. Es wurden bereits hochrepetitive Sequenzen mit einer bis zu 200-fachen Wiederholung des Pentapeptids GVGVP synthetisiert.

(Urry, Angewandte Chemie 105,859-883 ; 1993).

Diese hochmolekularen künstlichen Proteine zeigen ein ungewöhnliches Temperaturverhalten. In wäßriger Lösung ändern sie bei

Temperaturerhöhung spontan ihre Konformation, bis sie ab einer bestimmten Temperatur Tt aus der Lösung ausfallen. Dieser Effekt wird als inverser Temperaturübergang bezeichnet. Auf molekularer Ebene geht dabei das helixförmige Protein von einer ausgestreckten Form in eine verkürzte, kontrahierte über. Dabei kehren sich zugleich die hydrophoben Regionen des Proteins nach außen und treten dort über hydrophobe Wechselwirkungen mit Nachbarmolekülen in Kontakt. Infolgedessen bilden sich Assoziate, die schließlich aus der Lösung ausflocken Man bezeichnet die Modellproteine auch als molekulare Maschinen des Tt-Typs.

Es ist bekannt, aus diesen hochmolekularen Modellproteinen einen Film (etwa 4 cm x 10 cm) herzustellen und ihn mit y-Strahlen zu vernetzen. Bei Erwärmung auf über 40°C zieht sich der Film zusammen und hebt dabei Massen bis zum 1000-fachen seiner Trockenmasse. Dieses Verhalten wird auf den Tt-Mechanismus zurückgeführt.

Außerdem ist der ATt-Mechanismus bekannt. Dabei wird die Temperatur, bei der Faltung und Assoziation ablaufen, durch eine chemische Modifizierung des Polypentapeptids (GVGVP) n moduliert. Als Beispiel für eine solche Tt- Modulation faßt sich die Phosphorylierung eines Serin-Restes betrachten.

Baut man in das Polypentapeptid (GVGVP) n einen Serinrest ein, so besitzt das Molekül eine OH-Gruppe, die sich mit ATP phosphorylieren faßt.

Dadurch steigt die Inversionstemperatur Tt an, und das zuvor bei Raumtemperatur gefaltete Peptid entfaltet sich unter Verdopplung seiner Länge.

Es ist weiterhin bekannt, daß Tt mit wachsender Hydrophobie der Modellpeptide sinkt. Durch Einbau von Carboxylatgruppen (über Glutamat oder Aspartat) in das Peptid ändert sich die Hydrophobie. Bei pH 7 sind diese Carboxylgruppen deprotoniert. Mit weiter fallendem pH-Wert steigt

aber der Anteil an protonierten Carboxylatgruppen und somit auch die Hydrophobie des Moleküls an, und folglich sinkt Tt.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Erkenntnisse für technische Zwecke im Nano-und Mesobereich zur Verfügung zu stellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelost. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß konnte damit erstmals gezeigt werden, daß der Tt-und der ATt-Mechanismus zur Lösung von nanotechnologischen Problemstellungen besonders geeignet sind und Fragestellungen erst eröffnet, deren Lösungen zu neuen technischen Anwendungen im nanotechnischen Bereich führen.

Hierbei wird erfindungsgemäß auch vorgeschlagen, Modellpeptide als molekulare Maschinen des Tt-Typs zu synthetisieren und in geordneten Schichten (Self Assembling Monolayers, SAM) an Festkörperoberflächen zu koppeln. In der Schicht soll u. a. der Mechanismus der molekularen Konformationsänderung simultan durch externe Einwirkung ausgelöst werden können. Dies bewirkt Änderungen der Schichtdicke auf nanoskopischer bis mesoskopischer Skala, die erfindungsgemäß eine Grundlage für neue technische Anwendungen eröffnen.

In der zugehörigen Zeichnung zeigt : Figur 1 ein Kraftfeldmodell eines erfindungsgemäßen Peptids, Figur 2 ein CD-Spektrum des Peptids nach Fig. 1,

Figur 3 ein IR-Reflexionsspektrum des Peptids nach Fig. 1 ; und Figur 4 Ankopplung von Phenylazoanilin an eine Glutamatseitenkette eines erfindungsgemäßen Oligopeptids.

Die Erfindung wird anhand einer SAM-Schicht aus dem Peptid C (GVGVP) 6 näher beschrieben : Es ist gelungen, das Peptid C (GVGVP) 6 mittels Festphasenpeptidsynthese herzustellen. Für die Ankopplung an eine Goldoberfläche wurde Cystein (C) als Ankergruppe in der Position des N- Terminus gewählt. Dabei wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß die-SH- Gruppe des Cystein-Restes mit Goldoberflächen chemisch reagiert.

Die Synthese ergab ein Peptidgemisch, aus dem C (GVGVP) 6 mittels RP- HPLC isoliert wurde. Die anschließende massenspektrometrische Untersuchung im MALDI-TOF-MS ergab die korrekte Molmasse für C (GVGVP) 6.

Lineare Peptide mit der Sequenz (GVGVP) lassen sich nicht ohne weiteres kristallisieren, um eine Röntgen-Kristallstrukturanalyse durchführen zu können. Darum war es notwendig, andere Methoden zur Konformationsanalyse zu nutzen. Nach dem Strukturmodell des linearen Moleküls (die ß-Spirale der Elastin) wurde erfindungsgemäß das Molekül des Peptids C (GVGVP) 6 am Computer entworfen, das eine räumliche Vorstellung von der-Spirale liefert. Die Geometrie wurde dabei mit einer Kraftfeldrechnung optimiert, wobei eine H20-Solvathülle des Peptids berücksichtigt wurde. Fig. 1 zeigt das Ergebnis.

Die erwartete ß-Spirale des erfindungsgemäßen Peptids besitzt etwa 15 Aminosäurereste pro Windung. Weiterhin zeigt das erfindungsgemäße Peptid im Temperaturintervall von 20 bis ca. 60°C eine Konformations-

umwandlung. Die genaue Temperatur Tt hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie Länge des Peptids, Aminosäurezusammensetzung, Konzentration und Lösungsmittel. Die Umwandlung von der ausgestreckten ß-Spirale in die kontrahierte läßt sich mit Hilfe der CD-Spektroskopie = Circulardichroismus) beobachten.

Fig. 2 zeigt ein CD-Spektrum des erfindungsgemäßen Polypetids C (GVGVP) 6 in wäßrigem Puffer pH 7 bei verschiedenen Temperaturen. Die Konzentration beträgt 385 llg/ml. Scangeschwindigkeit 50 nm/min ; 5 Akkumulationen pro Spektrum.

Das CD-Spektrum in Fig. 2 erlaubt Rückschlüsse auf die Sekundärstruktur des Peptids. Das negative Extremum bei etwa 197 nm liegt sehr nahe am charakteristischen Minimum für random coil Strukturen bei 195 nm. Mit steigender Temperatur nimmt das negative Extremum bei 197 nm in seiner Intensität ab. Es konnte erfindungsgemäß gezeigt werden, daß diese Abnahme mit dem Tt-Übergang des Proteins korreliert. Weiterhin ist in Fig. 2 das Auswachsen einer Schulter zu einem positiven Extremum bei etwa 220 nm charakteristisch für die Ausbildung von ß-Schleifen, die ein wesentliches Strukturmerkmal der ß-Spirale sind. Es konnte erfindungsgemäß gezeigt werden, daß mit zunehmender Temperatur eine relativ ungeordnete Struktur in eine geordnetere übergeht, welche ß- Schleifen als Sekundärstrukturmerkmal besitzt.

Aufgrund der CD-Spektren ist es wahrscheinlich, daß das erfindungsgemäße Peptid bei Temperaturerhöhung die Konformation einer ß-Spirale annimmt.

Es zeigt die gewünschte Tt-Umwandlung der Konformation im Tem- peraturintervall von 20 bis 60°C und damit den Effekt der Molekularen Ma- schine des Tt-Typs.

Mit dem erfindungsgemäß syr ; thetisierten Peptid C (GVGVP) 6 konnte eine Monoschicht auf einer Goldoberfläche hergestellt werden. Das Cystein am N- Terminus des Peptids ließ sich über seine Thiol-Gruppe (-SH) aus wäßriger Lösung an eine Goldoberfläche binden. Zur Herstellung der Schicht wurde ein goldbedampfter Silicium-Wafer in eine 2 x 10-5 M wäßrige Lösung des erfindungsgemäßen Peptids getaucht. Nach einer gewissen Verweilzeit wurde der Wafer mit dest. Wasser sorgfältig abgespült.

Die Monoschicht wurde mit zwei Methoden überprüft. Zum einen wurde die Schichtdicke ellipsometrisch mit 3 1 nm bestimmt. Damit ist es erfindungsgemäß gelungen, das Peptid als Schicht auf Gold stabil abzu- scheiden. Die Länge des Peptids beträgt im kontrahierten Zustand etwa 2,5 nm und im gestreckten Zustand ca. 4,5 nm.

Zum anderen wurde zur chemischen Identifizierung der Schicht die IR- Spektroskopie im Modus der äußeren Reflexion eingesetzt.

Figur 3 zeigt das IR-Reflexionsspektrum des Peptids C (GVGVP) 6 auf Gold.

Auf der Ordinate ist die relative Absorption aufgetragen. Sie wird als Differenz der Absorptionsspektren erhalten, die für parallel und senkrecht polarisiertes Licht in trockener Luft gemessen wurden. Meßbedingungen : Harrick Seagull Reflektionseinheit, 2 mm Blende, 1000 scans, Winkel 80°, s- und p-Polarisation.

Das IR-Spektrum bestätigt durch mehrere Banden eindeutig, daß sich das Peptid ohne chemische Destruktion auf dem Au-Substrat abgeschieden hat.

Die für Proteine und Peptide charakteristischen Amid-Schwingungen sind vorhanden (Amid I, II und ici). Darüber hinaus sind die N-H Streckschwingung und die C-H Streckschwingungen vorhanden. Charakteristisch für das

erfindungsgemäße Peptid ist auch die CH2-wagging Schwingung des Cysteins bei 1265 cm~1 Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit z. B. das Peptid C (GVGVP) n an einer Goldoberfläche durch äußere Einwirkungen in der SAM simultan zu schalten, um damit die physikalischen Eigenschaften der selbstorganisierten Schicht (wie Schichtdicke, optischer Brechungsindex, Dichte,...) oder auch ihre chemische Aktivität gezielt zu variieren. Dieses Funktionsprinzip zeigt erstmals neue Lösungen im Bereich Nanoaktorik und der Nanosensorik.

Nach der erfindungsgemäßen Lehre können auch Peptide mit speziellen Eigenschaften synthetisiert werden, die andere Energieumwandlungen in Schichten ausnutzen.

Dazu werden bei den erfindungsgemäßen Peptiden ausgewählte Aminosäuren ausgetauscht und für den Fachmann bekannte Aminosäuren oder Aminosäurederivate eingefügt, die funktionelle Gruppen besitzen, die bei den Peptiden aufgrund von ausgewählten physikalischen (Licht, Wärme, Elektrizität) oder chemische Parametern zu der gewünschten Konformationsänderung führen.

Die erfindungsgemäße Lehre zeigt damit grundsätzlich neue Wege auf, Peptide zu synchronisieren, die nur einen thermisch induzierten Übergang bei Tt zeigen oder deren Tt-Wert z. B. durch Einstrahlen von Licht geeigneter Wellenlänge oder durch andere Einwirkungen von außen moduliert werden kann.

Nach einer vorteilhaften Ausführung kann der Tt-Wert von erfindungsgemäßen Peptiden durch Bestrahlung mit Licht moduliert werden.

Dabei kann die cis-trans-Isomerie von Azoverbindungen ausgenutzt werden.

Da die cis-gegenüber der trans-Form ein permanentes Dipolmoment besitzt,

läßt sich dadurch die Hydrophobie des Moleküls (GVGVP) n und damit auch Tt steuern. Zur Einführung einer Azogruppe in das Peptid mit dem Grundmuster C (GVGVP) 6 stehen erfindungsgemäß mehrere Wege zur Verfügung. Die Einführung eines Tyrosinrestes erlaubt direkt eine Azokopplung mit einem entsprechenden Diazoniumsalz. Eine andere Möglichkeit nutzt die Imidazolgruppe des Histidins aus, die ebenfalls im Verlauf einer elektrophilen aromatischen Substitution mit einer Azogruppe versehen werden kann. Auch die Einführung einer Azoverbindung über eine Peptidbindung mit einem Glutamatseitenrest ist möglich.

Als Ausführungsbeispiel wird die Einführung einer Azogruppe über eine Gtutamatseitenkette dargestellt. Zur besseren Übersicht wird definiert : A : = (GVGVP) B : = (GEGVP) Dabei steht E für Glutamat. Die Polypeptide bestehen dabei aus einer Abfolge von einem N-terminalen Cystein-Rest und sechs aufeinanderfolgenden Oligopeptiden"A"oder"B", z. B. ABABAB oder ABBBBB. In Figur 3 ist gezeigt, wie die Glutamatseitenkette des Oligopeptids "B"über eine Peptidbindung eine Phenylazoanilingruppe mit chromophoren Eigenschaften ankondensiert wird. Über eine Peptidbindung wird das Phenylazoanilin, mit Dicyclohexylcarbodiimid (DCC) als Aktivierungsreagenz, angebunden. Hydroxybenzotriazol (HOBT) dient als Katalysator.

Ein Beispiel für die Anwendung erfindungsgemäßer Funktionsschichten sind Wandlermaterialien im Ultraschallbereich. Derzeit werden typischer Weise piezoelektrische Wandlermaterialien, etwa auf der Basis Bleizirkonat-Titanat und dotierte Varianten davon, eingestzt. Es ist von wesentlicher Bedeutung, die akustischen Eigenschaften eines solchen Systems an die erfindungsgemäßen Funktionsschichten anzupassen. Hierbei ist die

akustische Impedanz eine charakteristische Größe und ein Maß für die Reflexion akustischer Wellen an der Grenzfläche zweier Medien.

Bei allen derzeit eingesetzten keramischen Materialien ist die akustische Impedanz in der Größenordnung in der Größenordnung von 30 Mrayl und damit um ein vielfaches höher als z. B. die Impedanz von Wasser (1,5 MRayl), von organischen Substanzen oder menschlichem Gewebe. Deshalb wird versucht, Kompositwerkstoffe zu entwickeln, die neben der keramischen auch eine polymere Phase enthalten, so daß der effektive Impedanzwert herabgesetzt wird. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Funktionsschichten können generelle Impedanzwerte im Bereich der organischen Materialien des menschlichen Gewebes usw. erreicht werden.

Durch laterale Mikrostrukturierungen der erfindungsgemäßen Schichten können weitere entscheidende Vorteile nutzbar gemacht werden : Bei Einhaltung eines bestimmten geometrischen Designs der erfindungsgemäßen Funktionsschicht ist eine Entkopplung der Schwingungsmoden möglich, so daß ein wesentlich höherer Wirkungsgrad der Energieübertragung erreichbar ist. Dies wurde durch die laterale Strukturierung piezoelektrischer Keramikschichten bereits nachgewiesen (Smith, 1991 und Schön, 1994). Bei diesen keramischen Schichten sind unterschiedliche Techniken der Mikrostrukturierung untersucht worden. Die bisher erfolgreichste ist das Mikrosägen. Dabei können jedoch keine Strukturgrößen unter 30 pm erzeugt werden.

Die erfindungsgemäßen aktiven Polymerschichten besitzen hingegen Funktionsbausteine in einer wesentlich geringeren Größe, so daß völlig neue Möglichkeiten der Mikrostrukturierung vor allem dann gegeben sind, wenn nicht in einer top-down-sondern in einer Bottom-up-Strategie strukturiert wird. In anderen Techniken, wie dem laserunterstützten chemischen Ätzen,

dem Align and Fill oder dem Laminieren und dem Schlickergießen sowie dem Spritzgießen wird intensiv an der Effizienz und der größeren Homogenität der Strukturierung gearbeitet. Die Strukturgrößen können jedoch nicht signifikant verringert werden.

Grundsätzlich ist es möglich, daß sich mit den erfindungsgemäßen Peptiden auf verschiedenen Oberflächen (Au, Al, hoch orientiertes PTFE) als SAM's aus der Lösung dünne Schichten (d < 10 nm) erzeugen lassen, in denen die Peptidmoleküle geordnet und adhäsiv an das Substrat gebunden sind.

Für die erfindungsgemäßen SAM-Schichten können z. B. aufgedampfte Goldschichten auf Silicium-Wafern und spezielle hochorientierte PTFE Schichten, sogenannte PIA (PTFE Induced Alignment) Schichten, benutzt werden. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, bei den PIA-Schichten weitere organische oder anorganische Substanzen in orientierter Form abzuscheiden, deren Oberfläche dann in Kontakt mit den Peptiden gebracht wird. Ais Substrat bieten sich erfindungsgemäß z. B. auch ultraglatte Alumin- ium-Aufdampfschichten auf Silicium-Wafern an.

Zur Bildung von erfindungsgemäßen SAM-Schichten auf Gold oder Aluminium werden die Peptide in einem flüssigen Medium (bevorzugt Wasser) gelöst, und in diese Lösung wird das Substrat getaucht. innerhalb weniger Stunden scheidet sich ein Film des Polypeptids auf dem Substrat ab.

Auf PIA-Substraten werden die Peptide aus der Lösung über spin-coating oder doctor's blade oder anorganisch/organisch auf modifizierten PIA- Substraten abgeschieden.

Als Ankergruppen zur Anlagerung der erfindungsgemäßen Peptide kommen z. B. auch Amine und Methylester in Frage. Da für eine technische Anwendung die Haltbarkeit der Peptide wichtig sein kann, wird

erfindungsgemäß vorgeschlagen (GVGVP) n aus D-Aminosäuren aufzubauen. Diese sind gegenüber den natürlichen, aus L-Aminosäuren aufgebauten Peptiden besser gegen den biologischen Abbau geschützt.

Die Schichtdickenänderung durch Licht-oder Wärmeeinwirkung wird erfindungsgemäß, mit Methoden nachgewiesen, die unmittelbar auf die Eigenschaftsänderung reagieren. Primär wird die Ellipsometrie eingesetzt. In dem hier interessierenden Bereich von wenigen nm läßt sich allerdings die absolute Schichtdicke ellipsometrisch, wegen der Kopplung an den Brechungsindex, oft nur schwer bestimmen.

Alternativ können die induzierten Filmdickenänderungen auch kapazitiv getestet werden. Ein dielektrisches Verfahren im Einsatz in situ erlaubt eine dynamische Dickenmeßung. Kapazitive Dilatometer zählen zu den emp- findlichsten ihrer Art.

Der Tt-Übergang verändert nicht nur die Dicke der SAM's sondern auch deren mechanische Eigenschaften. Deshalb können thermisch induzierte, akustische Oberflächenwellen den Tt-Übergang sowohl über die Dickenänderung als auch über die Änderung der mechanischen Eigen- schaften des Films nachweisen. Als Meßmethode für diese Oberflächenwellen wird die hochauflösende Brillouin Spektroskopie eingesetzt. Die Kopplung mit Informationen über Schichtdicken, die man aus der Ellipsometrie und/oder dem kapazitiven Meßverfahren erhält, vereinfacht dabei die Interpretation der Brillouin Daten.

Der induzierte Konformationsübergang verändert auch das elektrische Dipolmoment des einzelnen Peptidmoleküls. Dies setzt sich im kollektiven polaren Verhalten der Peptidketten (Piezoelektrizität, Pyroelektrizität) fort.

Deshalb kann auch die optisch bzw. thermisch induzierte elektrische Fetdänderung als Nachweis für den Tt-Übergang eingesetzt werden (Beispiel : Nylon-11 gilt als Ferroelektrikum).

Umgekehrt besteht auch ein elektrischer Einfluß auf die optischen (Brechungsindex-Schalter) und thermischen Eigenschaften der SAM's.

Dadurch wird erfindungsgemäß ein fast trägheitsloser pyroelektrischer Detektor bereitgestellt.

Integrale Eigenschaften der SAM's wie z. B. der Bedeckungsgrad und die makroskopische Textur können erfindungsgemäß, mit Hilfe der Multichannel- p-Raman Spektroskopie, der u-Brillouin Spektroskopie und der SFM (AK Possart) charakterisiert werden.

Die Mechanismen, welche die Eigenschaftsänderungen der SAM's bewirken, können mit optischen Spektroskopien FTIR-ERAS, CCD-Multichannel- Raman-und Brillouin-Spektroskopie untersucht werden. FTIR-ERAS und CCD-Multichannel-Raman liefern integrale Informationen über die aktuelle chemische Struktur und die molekulare Orientierungsverteilung in den Peptidschichten. Die lu-Brillouin Spektroskopie liefert Informationen über das mechanische Relaxationsverhalten und über die lokale und/oder die integrale Symmetrie. Die DES dient als empfindliche und breitbandige Nachweismethode für molekulare Relaxationen, die sich im dielektrischen Verhalten niederschlagen.