Forscher weisen Effektivität lichtgetriebener Nanomotoren nach

13. November 2016, 12:00
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Bewegungen einzelner molekulare Maschinen durch Laserlicht beobachtet

Graz/Berlin/Houston– Millionstel Millimeter kleine Maschinen könnten in Zukunft eingesetzt werden, um gezielt Arbeit auf molekularer Ebene zu erledigen und vielfältige Prozesse zu steuern: Beispielsweise Wirkstoffe direkt an den Zielort bringen oder elektronische Strukturen aus einzelnen Atomen bauen. Forschern aus Graz, Berlin und Houston ist es gelungen, so einen kleinen molekularen Transporter gezielt in Fahrt zu bringen.

Um in der Technik die Miniaturisierung voranzutreiben, orientieren sich Wissenschafter auch am Vorbild der Natur. In unserem Körper sorgen winzige Biomoleküle für Stofftransport, Zellteilung oder Muskelbewegung. Forscher wie Chemie-Nobelpreisträger Bernard Feringa oder auch der Grazer Experimentalphysiker Leonhard Grill träumen davon, solche "molekulare Motoren" in Bewegung zu setzen, die um ein Vielfaches kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares.

Laserimpuls-Antrieb

Diese im Labor entwickelten Moleküle, die auf externe Reize hin gezielte Bewegungen ausführen, sind die grundlegenden Bauteile für zukünftige Nanomaschinen: Diese erhalten wiederum molekulare Motoren, die die zugeführte Energie nutzen und in mechanische Bewegungen umwandeln sollen. Vielversprechende Kandidaten für derartige Motoren sind Moleküle, die unter Lichteinfluss ihre Struktur ändern. "Damit können wir die Maschinen aus der Ferne aktivieren und außerdem Milliarden Moleküle gleichzeitig bewegen", erklärte Grill den Vorteil von lichtgetriebenen molekularen Motoren. Zum Antrieb für ihre Nanomotoren verwendet die Grazer Arbeitsgruppe "Single-Molecule Chemistry" üblicherweise Laserimpulse aus der Spitze eines Rastertunnelmikroskops.m

Grill hat mit Partnern der Rice University in Houston (Texas/USA) eine nur zwei Millionstel Millimeter große Maschine entwickelt – mit eingebautem Molekül-Motor. "Wir wollten nachweisen, dass es tatsächlich der Motor ist, der das Molekül bewegt", so Grill. Das sei experimentell unglaublich schwierig, aber möglich, wie eine Studie der Wissenschafter in der jüngsten Ausgabe des Magazins "ACS Nano" zeigt.

Wohin, ist offen

Die Forscher haben in den Experimenten die Position einzelner Moleküle bei sehr niedriger Temperatur auf einer Kupfer-Oberfläche vor und nach der Bestrahlung mit Laserlicht untersucht. Innerhalb von 60 Minuten legten die Nano-Maschinen Distanzen von rund 20 Nanometern zurück. Bei unterschiedlichen Wellenlängen wurden Änderungen des mikroskopischen Effekts beobachtet: "Die Wellenlänge von 355 Nanometer hat sich als die für die Chemie des Motors beste Wellenlänge erwiesen", sagte Grill.

Und als die Motoreinheit aus den Molekülen entfernt wurde, fand gar keine Bewegung mehr statt. Dass sich die Moleküle nur in eine Richtung bewegen, habe sich allerdings noch nicht zwingend nachweisen lassen. Grill: "Nach unseren Erkenntnissen gibt es aber eine Präferenz für eine bevorzugte Ausrichtung." (APA, red, 13. 11. 2016)

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