Milliarden Motormoleküle machen mit: Rotation im Gleichklang

    21. März 2019, 07:30
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    Nobelpreisträger gelingt Weiterentwicklung eines Systems von synchronisierten Nanomotoren

    Molekulare Motoren sind Verbindungen aus großen Molekülen, die unter Energiezufuhr rotieren können. Natürliche Vorbilder sind bestimmte Proteine, aber seit ca. 20 Jahren gibt es auch erste Erfolge bei künstlichen Nanomotoren.

    Ben Feringa von der Universität Groningen gelang die erste vollständige Rotation eines Molekülmotors, eine Entdeckung, die 2016 mit dem Nobelpreis für Chemie gewürdigt wurde. Um solche Maschinen tatsächlich nützen können, müssen sie jedoch im Gleichschritt betrieben werden können. Ein weiterer Erfolg auf dem Weg dorthin gelang nun einem Team von Chemikern um den Nobelpreisträger.

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    UV-Licht und Wärme steuern den Rotationsmechanismus des Motormoleküls von Ben Feringa. Das Video zeigt auch mögliche Zukunftsanwendungen als Nanoroboter und reale in der Natur vorkommende Motormoleküle.

    Das System, das zur ersten 360°-Drehung führte, basiert auf einem großen Molekül mit einem fixen Stator-Teil und einem beweglichen Rotor-Teil. Die benötigte Energie wird durch Lichtanregung geliefert. Im aktuellen Experiment dienten die unbeweglichen Komponenten des Systems als Eckpfeiler für große Käfige, in denen die Rotoren frei laufen können.

    Kristall von Molekülmotoren

    Der Durchbruch dazu gelang durch die Verwendung von sogenannten metallorganischen Gerüstverbindungen (englisch: metal-organic frameworks, MOFs). Diese großen Moleküle enthalten Metall-Atome und bilden ein kristallines Gerüst. Durch Ersetzen eines Teils des Gerüstes durch die Motormoleküle konnten die Forscher einen Kristall von 3x1020 (das sind 0,3 Trilliarden oder 300 Milliarden Milliarden) lichtbetriebenen Drehmotoren bauen.

    foto: university of groningen
    Die einzelnen Bestandteile der motorisierten MOFs bis hin zum Kristall aus einer Vielzahl dieser Käfige.

    Versuche mit dem entwickelten System bestätigten, dass die Motoren großteils in die gleiche Richtung zeigten. Auch die Rotationsgeschwindigkeit war ähnlich wie bei Vorversuchen in Flüssigkeiten außerhalb der Käfige.

    Lichtbetriebene Pumpen und Nanolabore

    Diese Kristalle aus motorisierten MOFs eröffnen Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Gebieten. So könnten sie die Diffusion von Gasen kontrollieren oder Flüssigkeiten durch mikroskopisch kleine Räume pumpen.

    foto: university of groningen
    Ein einzelner Käfig mit den lichtbetriebenen Rotationsmotoren in gelb.

    Auch zur Produktion von Chemikalien könnten sie als Minilabor genützt werden. Dazu könnten die Ausgangsstoffe in den Käfigen miteinander reagieren und das Produkt anschließend heraus gepumpt werden.

    Derzeit ist jedoch gerade erst der Nachweis des Funktionsprinzips erfolgt, der tatsächlichen Anwendung stehen noch einige Hürden entgegen. Beispielsweise können Materialien, die durch die Käfige fließen, die Motoren behindern und verstopfen. (Markus Plank, 21.3.2019)

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