Mini-Rotoren, die sich selbst zusammensetzen

28. November 2010, 16:54
9 Postings

Münchner Forscher bringen stabförmige Moleküle dazu, sich zu nur Nanometer großen Propellern zu organisieren

München - Wissenschaftern der TU München ist es gelungen, stabförmige Moleküle so in einem zweidimensionalen Netzwerk einzuschließen, dass Sie von selbst kleine Rotoren bilden, die sich in ihren Honigwaben-artigen Käfigen drehen. Die winzigen Strukturen dienen der Untersuchung der Kräfte, denen Moleküle auf Oberflächen und in Käfigen ausgesetzt sind.

Vorbild Natur

Vorbild für solche selbst-organisierenden Systeme ist die Natur. Proteine bringen Reaktionspartner so in engste räumliche Nähe, dass Reaktionen ablaufen, die ohne die Zusammenführung nicht möglich wären. Auch der Mensch nutzt solche Effekte, indem er Katalysatoren entwickelt, an deren Oberfläche Reaktionspartner zusammenfinden. Doch der große Traum, Selbstorganisationseffekte so zu nutzen, dass sich Nanomaschinen ganz von alleine zusammenbauen, steht noch in weiter Ferne.

Die in Garching von einem Forscherteam rund um Johannes Barth entwickelten Rotoren sind ein erfolgreicher Schritt in diese Richtung. Zunächst bauten die Physiker ein Nanonetzwerk auf, indem sie Kobalt-Atome und ein stäbchenförmiges Molekül namens Sexiphenyl-Dicarbonitril auf einer Silberoberfläche miteinander reagieren ließen. Dabei entsteht ein großes Honigwaben-artiges Netzwerk, das eine erstaunlich hohe Stabilität besitzt. Ähnlich dem Graphen, dessen Entdecker vor wenigen Wochen den Nobelpreis erhielten, ist dieses Netzwerk nur exakt eine Atomlage dick.

Gesellige Moleküle

Als die Forscher weitere Stäbchen-Moleküle zugaben, sammelten sich spontan meist drei Stäbchen in einer Wabe, während benachbarte Waben leer blieben. Die geselligen Moleküle mussten also einen Vorteil davon haben, sich jeweils zu Dritt zu organisieren. Unter einem Rastertunnel-Mikroskop konnten die Forscher sehen, warum das der Fall war. Die drei Moleküle ordneten sich jeweils so an, dass die drei Stickstoff-Enden gegenüber einem Wasserstoff-Atom platziert waren. Diese Anordnung in Form eines dreiflügeligen Rotors ist energetisch so vorteilhaft, dass die Moleküle zusammenbleiben, selbst wenn thermische Energie das Trio in seinem Käfig zur Rotation anregt.

Da ihr Waben-Käfig aber nicht rund sondern sechseckig ist, gibt es für die Rotoren zwei verschiedene Positionen, die aufgrund der Wechselwirkungen der äußeren Stickstoffatome mit den Atomen der Käfigwand unterscheidbar werden. Darüber hinaus können die drei Moleküle rechtsdrehend und linksdrehend angeordnet sein. Durch Versuche bei verschiedenen Temperaturen konnten die Physiker alle vier Zustände "einfrieren" und genau untersuchen. Aus der Temperatur, bei der die Rotation beim Aufwärmen wieder einsetzte, konnten sie die Energieschwelle für eine Drehung der Nanorotoren berechnen.

"Enormes Potenzial"

"In der Zukunft hoffen wir, diese einfachen mechanischen Modelle auf optisches oder elektronisches Schalten ausdehnen zu können," meint Barth. "Wir können die Käfiggröße gezielt festlegen oder auch gezielt weitere Moleküle einbringen und deren Wechselwirkungen mit der Oberfläche und der Käfigwand studieren. Diese sich selbstorganisierenden, dynamischen Nanosysteme haben ein enormes Potenzial." Ihre Ergebnisse ihrer Versuche veröffentlichen die Wissenschafter in der aktuellen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences der USA. (red)

  • Ein Nanorotor in seinem Käfig.
    foto: dirk kühne, tu münchen

    Ein Nanorotor in seinem Käfig.

Share if you care.