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Maschinen machen nicht immer das, was sie sollen. Besonders auf der Ebene einzelner Moleküle sind sie schwer unter Kontrolle zu bekommen. Da sind Wissenschaftler schon froh, wenn es ihnen gelingt, die Molekülringe netto gesehen in eine bestimmte Richtung zu treiben.
© (Ausschnitt)
Die Natur ist voll von molekularen Motoren: Sie transportieren Zellbestandteile, spannen unsere Muskeln, steuern chemische Reaktionen und sorgen an allen Ecken und Enden für das richtige Maß von Bewegung in lebenden Systemen. Dabei nutzen sie äußerst effizient verschiedene Energieformen. Und klein sind sie auch noch, jedes hoch gelobte Wunderwerk der Nanotechnik hat dagegen wahrhaft gigantische Ausmaße. Kurz: Molekulare Motoren sind der Traum eines modernen Ingenieurs – ein bislang unerfüllter Traum. Gegenwärtig sind Wissenschaftler auf der ganzen Welt noch damit beschäftigt, die Geheimnisse der natürlichen Motoren zu ergründen oder in eigenen Experimenten ihre Kreationen erste, vergleichsweise bescheidene Schritte machen zu lassen.
Eine der neuesten Erfolgsmeldungen stammt von einem Team um den Chemiker David Leigh von der University of Edinburgh. Ihnen ist es gelungen, ein bis zwei kleinere Ringe in einer bestimmten Richtung auf einem großen Ring entlanglaufen zu lassen. Im Unterschied zu den Arbeiten von anderen Forschern erreichten sie dabei tatsächlich vollständige Rotationen, und ihre Moleküle bildeten keine vorübergehenden festen Atombindungen miteinander aus.
Als Motor wählten sie eine besondere Verbindung, nämlich ein so genanntes Catenan. Dabei handelt es sich um zwei ringförmige Moleküle, die wie Kettenglieder locker miteinander verknüpft sind. An vier Stellen im größeren Glied hatten Leigh und seine Kollegen chemische Gruppen eingebaut, die mit unterschiedlich starker Affinität lockere Wasserstoffbrückenbindungen zu einer Gruppe auf dem kleineren Ring eingehen konnten. Mit Kernresonanzmessungen konnten die Forscher feststellen, an welcher dieser Stopp-Positionen sich der kleinere Ring gerade befand.
Da Moleküle sich am liebsten den energieärmsten Zustand aussuchen, starteten die Ringe der meisten Motoren vom selben Startplatz. Von dort vertrieben die Wissenschaftler sie mit ultraviolettem Licht, das eine Isomerisierung der betreffenden Gruppe auf dem großen Kettenglied bewirkte und diesen Platz damit energetisch unattraktiver machte. Die Ringe suchten sich daraufhin eine neue Position, doch auch die wurde mit UV-Licht bzw. Hitze verändert, und so wanderte der kleine Molekülring Schritt für Schritt auf dem großen entlang. Allerdings noch in zufällige Richtungen.
Wohin die Reise geht, konnten die Chemiker erst bestimmen, als sie einen zweiten kleinen Ring auf das große Kettenglied zogen. Nun waren ständig zwei Plätze besetzt, und die beiden mobilen Teile standen sich mitunter gegenseitig im Weg, wenn es darum ging, sich nach der Belichtung oder Erhitzung an die neuen energetischen Verhältnisse anzupassen. Sie führten zwar immer noch Zufallsschritte aus, doch weil die Gruppen auf dem großen Glied geschickt angeordnet waren, wanderten die Ringe jetzt netto gegen den Uhrzeigersinn.
Einen baldigen Nutzen werden die Catenan-Motoren nicht liefern, zumal die chemischen Reaktionen für jeden einzelnen Schritt mehrere Minuten bis Stunden dauern. Vielmehr geht es darum, Mechanismus zu erlernen und erproben, mit denen Moleküle sich gezielt manipulieren lassen. Die Methode, mechanische Bewegungen eines Motorteils dadurch auszulösen, dass man einen anderen Teil dynamisch verändert, indem man beispielsweise chemische Gruppen isomerisiert, wird bei künstlichen molekularen Motoren bislang nur selten verfolgt. In natürlichen Systemen und bei makroskopischen Maschinen ist dies hingegen ein häufiger Prozess. Insofern ist dem Team von Leigh ein viel versprechender Schritt gelungen. Man darf gespannt sein, wohin der nächste führt.
Eine der neuesten Erfolgsmeldungen stammt von einem Team um den Chemiker David Leigh von der University of Edinburgh. Ihnen ist es gelungen, ein bis zwei kleinere Ringe in einer bestimmten Richtung auf einem großen Ring entlanglaufen zu lassen. Im Unterschied zu den Arbeiten von anderen Forschern erreichten sie dabei tatsächlich vollständige Rotationen, und ihre Moleküle bildeten keine vorübergehenden festen Atombindungen miteinander aus.
Als Motor wählten sie eine besondere Verbindung, nämlich ein so genanntes Catenan. Dabei handelt es sich um zwei ringförmige Moleküle, die wie Kettenglieder locker miteinander verknüpft sind. An vier Stellen im größeren Glied hatten Leigh und seine Kollegen chemische Gruppen eingebaut, die mit unterschiedlich starker Affinität lockere Wasserstoffbrückenbindungen zu einer Gruppe auf dem kleineren Ring eingehen konnten. Mit Kernresonanzmessungen konnten die Forscher feststellen, an welcher dieser Stopp-Positionen sich der kleinere Ring gerade befand.
Da Moleküle sich am liebsten den energieärmsten Zustand aussuchen, starteten die Ringe der meisten Motoren vom selben Startplatz. Von dort vertrieben die Wissenschaftler sie mit ultraviolettem Licht, das eine Isomerisierung der betreffenden Gruppe auf dem großen Kettenglied bewirkte und diesen Platz damit energetisch unattraktiver machte. Die Ringe suchten sich daraufhin eine neue Position, doch auch die wurde mit UV-Licht bzw. Hitze verändert, und so wanderte der kleine Molekülring Schritt für Schritt auf dem großen entlang. Allerdings noch in zufällige Richtungen.
Wohin die Reise geht, konnten die Chemiker erst bestimmen, als sie einen zweiten kleinen Ring auf das große Kettenglied zogen. Nun waren ständig zwei Plätze besetzt, und die beiden mobilen Teile standen sich mitunter gegenseitig im Weg, wenn es darum ging, sich nach der Belichtung oder Erhitzung an die neuen energetischen Verhältnisse anzupassen. Sie führten zwar immer noch Zufallsschritte aus, doch weil die Gruppen auf dem großen Glied geschickt angeordnet waren, wanderten die Ringe jetzt netto gegen den Uhrzeigersinn.
Einen baldigen Nutzen werden die Catenan-Motoren nicht liefern, zumal die chemischen Reaktionen für jeden einzelnen Schritt mehrere Minuten bis Stunden dauern. Vielmehr geht es darum, Mechanismus zu erlernen und erproben, mit denen Moleküle sich gezielt manipulieren lassen. Die Methode, mechanische Bewegungen eines Motorteils dadurch auszulösen, dass man einen anderen Teil dynamisch verändert, indem man beispielsweise chemische Gruppen isomerisiert, wird bei künstlichen molekularen Motoren bislang nur selten verfolgt. In natürlichen Systemen und bei makroskopischen Maschinen ist dies hingegen ein häufiger Prozess. Insofern ist dem Team von Leigh ein viel versprechender Schritt gelungen. Man darf gespannt sein, wohin der nächste führt.
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