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Kristall aus Maschinen: Billionen Nanomotoren rotieren im Gleichtakt

Unzählige Nanomaschinen vereinigen sich zu einem Gitter mit Superkräften: Kristalle, die auf molekularer Ebene auf bestimmte Funktionen zugeschnitten sind.
Silbern glänzende Kugeln, eine davon blau, in einem kubisch-primitiven GitterLaden...

Einen Kristall aus unzähligen lichtgetriebenen Nanomotoren, die alle gemeinsam rotieren, hat eine Arbeitsgruppe um Wesley R. Browne, Sander J. Wezenberg und Ben L. Feringa von der Universität Groningen hergestellt. Die in »Nature Nanotechnology« veröffentlichte Arbeit ist eine Fortentwicklung jener molekularen Maschinen, für die Feringa im Jahr 2016 den Nobelpreis in Chemie erhielt – ein Molekül, das unter Lichteinfall nur in eine Richtung rotieren kann. Dieses Molekül baute die Arbeitsgruppe in ein metallorganisches Gerüst ein, eine Art luftiges, von Kanälen durchzogenes Gitter aus Metallatomen und stabförmigen molekularen Streben – so dass sich in der Gitterverbindung nun enorm viele solche Motoren alle in die gleiche Richtung drehen. Nach Angaben des Teams enthält ein Kubikzentimeter Material zehn Milliarden Milliarden solcher Rotoren. Bisher war es nicht möglich, Nanomaschinen in einem solchen Maßstab gezielt auszurichten und zu koordinieren.

Die Bestandteile des Nanomaschinen-KristallsLaden...
Die Bestandteile des Nanomaschinen-Kristalls | Der Stator des rotierenden Moleküls (links) bindet sich mit den Enden an Zinkatome der kreuzförmigen Verbindungselemente; der Rotor kann dagegen frei drehen. Rechts ein Block aus zwei Verbindungselementen und vier Nanomotoren. nach oben und unten lagern weitere Nanomotoren an, so dass diese Struktur ein Kristallgitter bildet.

Herzstück des Maschinenkristalls ist jenes Prinzip, das bereits das mit dem Nobelpreis gewürdigte Nanoauto der Feringa-Gruppe antrieb. Die Rotation geht von einem Molekül aus, in dessen Zentrum eine Doppelbindung durch Energiezufuhr seine Ausrichtung ändert – und das wegen seiner räumlichen Gestalt immer nur in eine Richtung tun kann. Diese Motoren kombinierte das Team um Browne mit kreuzförmigen Molekülen, an deren Ende Zinkatome als Verknüpfungsstelle zwischen Motor und Strebe dienen. Diese beiden Komponenten vereinen sich automatisch zu orangefarbenen, rechteckigen Kristallen.

Analysen des Teams zeigen, dass der Einbau in das Gitter die Eigenschaften der Nanomaschinen nicht verändert: Bestrahlt man sie mit UV-Licht, rotieren sie so schnell und bereitwillig wie in Lösung. Bisher gibt es keine wirkliche Anwendung für die Konstruktion, das Team spekuliert, womöglich könne man mit solchen Bauteilen lichtbetriebene Pumpen für Flüssigkeiten oder Gase herstellen. Allerdings soll der Versuch nach Angaben der Arbeitsgruppe vor allem zeigen, dass solche nanomotorbasierten Kristalle gezielt erzeugt werden können – und dass sich die Maschinen in ihnen ähnlich verhalten wie in Lösung. Bei einem anderen Typ molekularer Maschinen, den Rotaxanen, hatte ein ähnliches Experiment Unterschiede zum Verhalten in Lösung gezeigt.

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