News: Lichtgetriebene Propeller
Japanische Forscher haben die theoretischen Grundlagen für molekulare Motoren geschaffen, die durch Licht angetrieben werden könnten.
© Angewandte Chemie (Ausschnitt)
Der Traum von nanoskopischen Robotern beschäftigt die Menschheit seit langem. Und inzwischen scheint dieser Traum durchaus realistische Züge anzunehmen, hat die Nanowissenschaft doch bereits Bauteile für Maschinen in Molekülgröße hervorgebracht. Das theoretische Grundgerüst hierfür steht allerdings immer noch auf wackeligen Füßen.
Die Arbeitsgruppe von Yuichi Fujimura von der japanischen Tohoku University versuchte jetzt anhand quantenmechanischer und klassisch-mechanischer Betrachtungen durchzurechnen, wie ein solcher molekularer Motor funktionieren könnte. Dieser Motor besteht aus einem Kohlenstoff-Fünfring mit zwei Doppelbindungen als Grundkörper. An der Spitze des Fünfecks befindet sich eine Aldehyd-Gruppe – also ein Kohlenstoffatom mit einem Wasserstoff- und einem per Doppelbindung gebundenem Sauerstoffatom – als asymmetrisches Rotorblatt. Sie ragt in einem 60-Grad-Winkel aus der Ebene des Fünfecks heraus und ist frei drehbar. An den beiden "Schultern" des Fünfecks sind zwei verschiedene "Dämpfer" gebunden, die für eine kontrollierte Rotation des Rotors sorgen: ein Chloratom und eine Methylgruppe.
Um den Propeller in Rotation zu versetzen, muss eine äußere Kraft angelegt werden, etwa das elektromagnetische Feld einer Lichtwelle – und was wäre da besser geeignet als ein Laserpuls. Laserlicht zeichnet sich durch seine Kohärenz aus, das heißt, alle Lichtteilchen schwingen mit derselben Amplitude und sind genau in Phase. So entsteht ein einheitliches elektromagnetisches Wechselfeld mit sehr hoher Energie.
Die elektromagnetischen Kräfte des Laserpulses "schubsen" das Rotorblatt an. In jeder Drehrichtung steht der Rotor allerdings vor einer Barriere aufgrund von Abstoßungskräften durch die Dämpfer. In der "Zündungsphase" pendelt der Rotor daher zunächst erst einmal hin und her. Wird die Pendelbewegung stärker, schafft es der Rotor, die Energiebarriere des etwas schwächeren Dämpfers, der Methylgruppe, zu überwinden – und kommt damit ins Rotieren. Schneller, immer schneller dreht er sich in dieser Beschleunigungsphase, um dann zunächst gleichmäßig mit konstanter Geschwindigkeit weiterzudrehen.
Die Drehrichtung des Propellers hängt von der Lage der beiden Dämpfer ab: Der molekulare Motor kann als Bild oder als Spiegelbild aufgebaut sein, so sind rechts und links herum drehende Propeller zugänglich. Weitere Eigenschaften des Motors, etwa das Drehmoment, können über die Größen des Laserpulses wie Frequenz, Dauer, Form und Intensität, gesteuert werden.
Die Arbeitsgruppe von Yuichi Fujimura von der japanischen Tohoku University versuchte jetzt anhand quantenmechanischer und klassisch-mechanischer Betrachtungen durchzurechnen, wie ein solcher molekularer Motor funktionieren könnte. Dieser Motor besteht aus einem Kohlenstoff-Fünfring mit zwei Doppelbindungen als Grundkörper. An der Spitze des Fünfecks befindet sich eine Aldehyd-Gruppe – also ein Kohlenstoffatom mit einem Wasserstoff- und einem per Doppelbindung gebundenem Sauerstoffatom – als asymmetrisches Rotorblatt. Sie ragt in einem 60-Grad-Winkel aus der Ebene des Fünfecks heraus und ist frei drehbar. An den beiden "Schultern" des Fünfecks sind zwei verschiedene "Dämpfer" gebunden, die für eine kontrollierte Rotation des Rotors sorgen: ein Chloratom und eine Methylgruppe.
Um den Propeller in Rotation zu versetzen, muss eine äußere Kraft angelegt werden, etwa das elektromagnetische Feld einer Lichtwelle – und was wäre da besser geeignet als ein Laserpuls. Laserlicht zeichnet sich durch seine Kohärenz aus, das heißt, alle Lichtteilchen schwingen mit derselben Amplitude und sind genau in Phase. So entsteht ein einheitliches elektromagnetisches Wechselfeld mit sehr hoher Energie.
Die elektromagnetischen Kräfte des Laserpulses "schubsen" das Rotorblatt an. In jeder Drehrichtung steht der Rotor allerdings vor einer Barriere aufgrund von Abstoßungskräften durch die Dämpfer. In der "Zündungsphase" pendelt der Rotor daher zunächst erst einmal hin und her. Wird die Pendelbewegung stärker, schafft es der Rotor, die Energiebarriere des etwas schwächeren Dämpfers, der Methylgruppe, zu überwinden – und kommt damit ins Rotieren. Schneller, immer schneller dreht er sich in dieser Beschleunigungsphase, um dann zunächst gleichmäßig mit konstanter Geschwindigkeit weiterzudrehen.
Die Drehrichtung des Propellers hängt von der Lage der beiden Dämpfer ab: Der molekulare Motor kann als Bild oder als Spiegelbild aufgebaut sein, so sind rechts und links herum drehende Propeller zugänglich. Weitere Eigenschaften des Motors, etwa das Drehmoment, können über die Größen des Laserpulses wie Frequenz, Dauer, Form und Intensität, gesteuert werden.
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