Moleküle sind nichts anderes als die Verbindung von Atomen verschiedener oder auch gleicher Elemente zur Bildung eines neuen Stoffs. Bei einer solchen chemischen Bindung sind nur die äußeren Elektronen eines Atoms beteiligt, die zusammen mit anderen Atomen an dem komplizierten Prozess der Quantenmechanik mitwirken. Verglichen mit den nuklearen Kräften, die die Sterne mit Energie versorgen, sind die hier beteiligten Energien unbedeutend. Ohne Moleküle gäbe es im Universum jedoch keine Vielfalt und somit auch kein Leben.

Atombindungen

Ein großer Teil der Materie im Universum wandert in Form von Einzelatomen durch die Weite des interstellaren Raums oder existiert als glühendes Plasma, in dem die Elektronen der Atome von den Kernen gelöst werden. Wenn es Temperatur und Dichte zulassen, neigen Atome dazu, sich miteinander zu verbinden und Moleküle zu bilden. Auch Atome verschiedener Elemente können solche Verbindungen eingehen.

So wie das Atom die kleinstmögliche Einheit eines Elements darstellt, ist das Molekül die kleinstmögliche Einheit einer Verbindung. Ein Wassermolekül lässt sich etwa in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten – allerdings ist es dann kein Wasser mehr.

Die einfachsten und häufigsten Moleküle im Universum bestehen aus zwei Wasserstoffatomen. Auch die Atome des Wasserstoffs verbinden sich zu einem Molekül, indem sie sich die Elektronen teilen. Im Einzelzustand besteht jedes Atom aus einem Elektron, das um ein Proton kreist. Verbinden sich zwei Atome, gibt jedes von ihnen sein Elektron an eine neue Umlaufbahn ab, die beide Protonen einschließt. Das Energieniveau der beiden Elektronen im neuen Molekül ist etwas niedriger als jenes, das sie ursprünglich hatten.

Bindungen und Reaktionen

Die meisten Substanzen, die uns umgeben, werden von gemeinsam genutzten Elektronen zusammengehalten – von den Sauerstoffmolekülen, die wir atmen und den Wassermolekülen, die wir trinken, bis zu den Proteinmolekülen, den Bausteinen des Lebens.

Es gibt jedoch noch eine andere Art, wie sich Atome verbinden können. Dabei stiehlt das Atom ein Elektron von einem anderen und verschafft sich damit eine negative Ladung. Das bestohlene Atom bleibt mit einer entsprechenden positiven Ladung zurück und die beiden geladenen Atome, die nun Ionen genannt werden, verbinden sich aufgrund der elektrischen Anziehung.

Die Fähigkeit eines Atoms, sich mit anderen Atomen zu verbinden, hängt von der Anordnung seiner Elektronen ab. Allerdings umkreisen Elektronen die Atomkerne nicht regelmäßig, sondern ihre Bahnen verlaufen innerhalb der sogenannten Elektronenorbitale zufällig. Für den Aufbau der Moleküle sind nur die äußeren Orbitale, die in Schalen angeordnet sind, von Bedeutung. In jeder Schale kann sich nur eine begrenzte Anzahl von Elektronen befinden. Die erste, innerste Schale, im Falle von Wasserstoff auch die einzige, kann nur zwei Elektronen aufnehmen. Äußere Schalen können bis zu acht Elektronen enthalten.

Zu den Elementen mit einer zwei oder acht Elektronen umfassenden äußeren Schale gehören die Edelgase Helium und Argon, die fast niemals Moleküle bilden. Elemente mit nur einem Elektron in der äußeren Schale, etwa Natrium und Kalium, sind extrem reaktionsfreudig, da das eine Elektron durch die Verbindung mit einem anderen Atom nach einer stabileren Struktur sucht.

Auch Elemente wie Chlor mit sieben äußeren Elektronen sind ständig auf der Suche nach einem weiteren Atom um die stabile Zahl Acht zu erlangen. Je nach Anzahl der Elektronen in ihrer äußeren Schale können sich Atome mit mehr als einem Element verbinden. Kohlenstoffatome mit vier äußeren Elektronen binden bis zu vier Partner. Deshalb ist die Familie der Kohlenstoffverbindungen größer als bei jedem anderen Element.

Perspektiven

Alles, was wir verwenden, besteht aus Molekülen, und so gesehen sind Computer, ebenso wie Sessel, Fingernägel und Autos, bereits molekular. Wissenschaftler versuchen jetzt jedoch, einen revolutionären neuen Computertyp zu entwickeln, der tatsächlich auf molekularer Basis funktioniert. Das Molekül, das sie für diese Tätigkeit gewählt haben, ist die DNS (Desoxiribonukleinsäure).

Die DNS ist das unglaublich komplexe Spiralmolekül, in dem das genetische Erbe eines jeden lebenden Wesens auf der Erde enthalten ist.

Der US-Mathematiker Leonard Adleman bemerkte 1992 als erster eine Verbindung zwischen DNS und Computern. In lebenden Organismen sind Moleküle der DNS verantwortlich für die Verschlüsselung, Übertragung und Verarbeitung großer Mengen genetischer Daten. Adleman glaubt, dass diese Moleküle so umgestellt werden könnten, um jede Art von Informationen zu verarbeiten.

Und man hat auch schon in Experimenten DNS-Molekularcomputer hergestellt. Sie funktionieren auf eine völlig andere Weise als herkömmliche digitale Computer. Diese verarbeiten Daten mit ungeheurer Geschwindigkeit, können jedoch jeweils nur einen Schritt ausführen. Ein DNS-Computer rechnet viel langsamer, aber er kann simultan Millionen von Datenbits auswerten. Diese Art der Datenverarbeitung versetzte Computerexperten in helle Aufregung. Sie sehen darin einen Weg zur Lösung von Problemen, für die konventionelle Computer Stunden, Wochen oder sogar Jahrhunderte benötigen würden.

Ein solches Problem ist das Ermitteln von Multiplikationsfaktoren sehr großer Zahlen. Dieses Beispiel mag abstrakt anmuten, die Faktorenzerlegung bildet jedoch die methematische Basis für die fast unauflösbaren Sicherheitscodes, die von Unternehmen und Regierungen überall auf der Welt verwendet werden. Derzeit benötigt selbst ein Supercomputer Stunden, um den einfachsten dieser Codes zu knacken, ganz zu schweigen von jenen, die wirklich zu kompliziert sind. Ein Reagenzglas voll programmierter DNS wäre in der Lage, dies in Minuten zu bewältigen, da sie Milliarden von Kombinationen gleichzeitig überprüfen könnte.

Derzeit sind DNS-Computer noch weit von einer solchen Leistung entfernt. Sie können gerade einmal Berechnungen durchführen, für die ein herkömmlicher Computer nur Sekundenbruchteile benötigt. Aber nach einer weiteren Forschungsgeneration ist der Computer der Zukunft vielleicht kein hypermoderner Silikon-Chip mehr, sondern ein blubbernder Bottich voll DNS.