Es wird fraglos ein einzigartiges Rennen, das am 28. April im Süden Frankreichs über die Bühne geht, immerhin besteht die polierte Rennbahn aus purem Gold. Aber nein, es handelt sich nicht um ein Luxusevent für die Rennwagen der Superreichen. Auf der gerade einmal 100 Nanometer langen Strecke werden Moleküle um die Wette fahren gelassen – 36 Stunden lang. Dann müssen die sechs Teams ihre winzigen Vehikel über die Ziellinie bugsiert und eine Distanz überwunden haben, die nur ein Tausendstel so groß ist wie ein typisches Haar dick. Auch die Streckenbedingungen sind nicht minder extrem: Die Rennbahn befindet sich in einem speziellen Labor im Vakuum, gekühlt auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Das "NanoCar Race" wird als weltweit erstes Rennen für Nano-Autos angepriesen – und hat vor allem ein Ziel: Es sollen mehr Menschen für Nanotechnologie und molekulare Maschinen begeistert werden, sagt einer der beiden Organisatoren, der Chemiker Christian Joachim vom Centre d'élaboration des matériaux et d'études structurales – dem Forschungszentrum für Materialentwicklung und Strukturuntersuchungen – in Toulouse, wo das Rennen stattfindet. Er und Gwénaël Rapenne, ein Chemiker der Universität Toulouse III, haben sich das Wettrennen ausgedacht, nachdem Joachim bei einem Interview mit einem Journalisten feststellen musste, dass Nano-Autos erheblich mehr öffentliche Aufmerksamkeit erregen als seine eigene Grundlagenforschung in der Nanotechnologie.

Doch das Rennen könnte auch wissenschaftliche Erkenntnisse liefern, zum Beispiel darüber, wie Moleküle mit Oberflächen wechselwirken. Das wiederum dürfte sich als hilfreich bei der Entwicklung von Katalysatoren erweisen oder – auf lange Sicht – beim Bau nanometergroßer Frachter oder Datenspeicher. "Hier führen ganz viele Leute gleichzeitig ein riesiges Experiment durch", sagt Joachim.

Elektronen als Antriebsquelle

Die Bezeichnung "Nano-Auto" führt eigentlich in die Irre, denn die in das Rennen geschickten Moleküle haben keine Motoren. Das könnte bei zukünftigen Rennen zwar anders sein, sagt Joachim. Doch bei diesem Rennen sei nicht einmal klar, ob die Moleküle überhaupt entlang der Bahn rollen, denn nur wenige der vermeintlichen Nano-Autos besitzen überhaupt Strukturen, die Achsen und Rädern ähneln. Die menschlichen "Fahrer" verwenden ein Rastertunnelmikroskop, um ihren Molekülen auf die Sprünge zu helfen. Dabei sollen sich die Moleküle jedes Mal nur rund 0,3 Nanometer weit bewegen. Das mache die 100 Nanometer zu "einer ziemlich langen Strecke", sagt der Physiker Leonard Grill von der Universität Graz in Österreich, der ein amerikanisch-österreichisches Team bei dem Rennen leitet.

Die Teilnehmer dürfen ihre Moleküle allerdings nicht mit der Spitze des Rastertunnelmikroskops direkt vorwärts schieben. Vielmehr muss der Antrieb indirekt durch die an der Spitze freigesetzten Elektronen erfolgen. Einige Teams haben ihre Moleküle so gestaltet, dass die Elektronen sie in einen energetisch höheren Zustand versetzen. Vibrationen oder Veränderungen in der molekularen Struktur treiben die Nano-Autos dann voran. Andere Teams setzen auf die elektrostatische Abstoßung der Elektronen als Antriebskraft.

Wettrennen der Moleküle
© Nature, nach: www.nanocar-race.cnrs.fr; Castelvecchi, D.: Drivers gear up for world’s first nanocar race. In: Nature 544, S. 278-279, 2017
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 Bild vergrößernWettrennen der Moleküle

Waka Nakanishi, die am Nationalen Institut für Materialwissenschaften im japanischen Tsukuba über organische Chemie forscht, hat ein Nano-Auto mit zwei Reihen von "Flügeln" ausgestattet, die wie bei einem Schmetterling schlagen sollen, wenn das Molekül von der Spitze des Rastertunnelmikroskops energetisch angeregt wird. Wie die Forscherin erläutert, sei einer der Gründe, weshalb sie an dem Rennen teilnimmt, die Möglichkeit, in Toulouse ein hochmodernes Rastertunnelmikroskop benutzen und so das Verhalten ihres Moleküls untersuchen zu können.

Eric Masson, Chemiker an der Ohio University in Athens in den USA, hofft bei dem Rennen herauszufinden, ob die "Räder" des Nano-Autos seines Teams – bei denen es sich um kürbisförmige Gruppen von Atomen handelt – tatsächlich auf der Oberfläche rollen oder doch einfach nur gleiten. "Wir wollen besser verstehen, wie Molekül und Oberfläche miteinander wechselwirken", so der Forscher.

Einfach nur den Fortgang des Rennens zu beobachten, ist für die Teilnehmer also schon ein Gewinn. Nach jedem Anstupsversuch beobachtet ein Team mit dem Rastertunnelmikroskop drei Minuten lang die Rennbahn. Nach jeweils einer Stunde produziert es dann aus den gesammelten Beobachtungen einen kurzen Film, der sofort online öffentlich gemacht wird. Auf diese Weise, erzählt Joachim, könne jeder Interessierte das Rennen nahezu live im Internet verfolgen.

Im Nanokosmos herrschen andere Regeln

Chemiker haben bereits früher winzige Nano-Autos mit Achsen und Rädern erschaffen – und auch molekulare Rotoren und Schalter. Der Nobelpreis für Chemie ging 2016 sogar an die Schöpfer von Nanomaschinen und rückte die Nanotechnologie damit erneut in das öffentliche Interesse. Doch die Nobelpreisträger haben hauptsächlich mit großen Mengen von Molekülen in flüssigen Lösungen gearbeitet. Die an dem Rennen beteiligten Forscher hingegen seien an den Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen und Oberflächen interessiert, erklärt Joachim.

Allerdings verhalten sich Nano-Autos in keiner Weise wie ihre normal großen Gegenstücke – und deshalb ist es schwierig, sinnvolle Anwendungen für solche molekularen Maschinen zu finden. Auf diesen Größenskalen dominieren elektrostatische Kräfte, und stochastische thermische Schwingungen schütteln die Moleküle durch. Deshalb könnten sich die Nanomaschinen letztlich vollkommen unerwartet und unvorhersehbar verhalten, meintnbsp;Grill.

Das Labor in Toulouse besitzt ein ungewöhnliches Rastertunnelmikroskop mit gleich vier Spitzen – die meisten haben nur eine einzige. So können vier Teams ihr Molekül gleichzeitig an vier verschiedenen Stellen der Goldoberfläche bewegen. Die sechs Teams aus drei Kontinenten konkurrieren zunächst in einer Vorrunde um diese vier Startplätze. Das eigentliche Rennen beginnt am 28. April um 11 Uhr lokaler Zeit. Die Teilnehmer werden sich während des Rennens mit vielen Problemen konfrontiert sehen. Einzelne Moleküle können verloren gehen oder stecken bleiben. Der schwierigste Part dürfte darin bestehen, die zwei Kurven auf der Bahn zu bewältigen, vermutet Joachim. Un am Ende werde es wohl auch nicht ausbleiben, dass einige Teams mehrfach neu ansetzen müssen, wenn sie am Ende noch ins Ziel kommen wollen.

Dieser Beitrag erschien unter dem Titel "Drivers gear up for world’s first nanocar race" bei "Nature News".