Nanotechnik: Erster solarbetriebener Nanomotor

Forscher der Universität Bologna und der Universität von Kalifornien in Los Angeles haben einen künstlichen Nanomotor entwickelt, der ohne einen materiellen Brennstoff funktioniert und deshalb keine Abfälle produziert. Als Energiequelle dient ausschließlich sichtbares Licht. Bisherige lichtangeregte Nanomotoren wurden durch das Licht lediglich ein- oder ausgeschaltet; für den Betrieb musste ein Treibstoff verwendet werden, wodurch Abfallprodukte entstanden.

Nanomotor | Prinzip des lichtbetriebenen Nano-Vier-Takt-Motors: Das etwa 6 Nanometer lange Rotaxan-Molekül absorbiert sichtbares Licht und lässt damit den Ring zwischen den 1,3 Nanometer auseinander liegenden Punkten A und B hin- und herpendeln. Die Pendelbewegungen entsprechen den Takten eines Vier-Takt-Motors: 1. Verbrennung, 2. Kolbenverdrängung, 3. Entfernung der Auspuffgase und 4. Zurückstellung des Kolbens.

Die Forscher um Vincenzo Balzani hatten mit Licht ein Rotaxan-Molekül zu Pendelbewegungen stimuliert. Rotaxane sind hantelförmige Kohlenstoff-Verbindung, über deren Achse ein Ring hängt. Durch die Lichtanregung pendelte der Ring bis zu tausend Mal über eine Entfernung von 1,3 Nanometern hin und her. Dies löste eine vierteilige Abfolge elektronischer und nuklearer Schritte aus – das Molekül arbeitete somit wie winziger Vier-Takt-Motor mit einer Frequenz von bis zu einem Kilohertz.

Die Chemiker heben hervor, dass sie ihre Nanomaschine unter sehr einfachen Rahmenbedingungen betreiben konnten: in wässriger Lösung und bei Zimmertemperatur. Die Wirkung baue ausschließlich auf intramolekularen Prozessen auf, wodurch im Prinzip Eingriffe auf einzelmolekularer Ebene möglich seien. Der Wirkungsgrad betrage zwar nur zwei Prozent, da die Antriebsenergie Sonnenlicht aber kostenlos und unbegrenzt verfügbar sei, überwiegen nach Ansicht der Forscher die Vorteile.