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Bionik: Vierbeinige Nanomaschine rennt wie ein Pferd

Molekulare Maschine, teaserLaden...
Der Begriff Nanomaschine ist mehr als nur eine Metapher – Wissenschaftler erzeugen inzwischen routinemäßig Moleküle und Nanoteilchen, die im molekularen Maßstab die Funktionen gängiger Maschinenteile wahrnehmen. Es gibt Ratschenmechanismen, Räder und sogar ganze Kräne in Nanogröße. In diese Reihe gehören auch Moleküle, die sich aus eigener Kraft über eine Oberfläche bewegen und dabei zum Beispiel kleine Moleküle wie Kohlenmonoxid transportieren.

Diese Fähigkeit haben etwa Moleküle aus mehreren aneinandergereihten Kohlenstoffringen mit Sauerstoffatomen an der Seite. Ein solches Molekül ist das Anthrachinon, das seine Sauerstoffatome quasi als Füße nutzt, um Schritt für Schritt über eine Oberfläche aus Kupfer zu laufen. Forscher um Ludwig Bartels von der University of California haben sich nun gefragt, ob auch molekulare Vierbeiner möglich sind, die gegebenenfalls entsprechend größere Lasten transportieren können.

Dazu synthetisierten sie das Molekül Pentacentetron, das aus fünf Kohlenstoffringen besteht und an jeder Seite zwei Sauerstoffatome als Füße trägt. Auch dieses Molekül läuft bereitwillig über eine Kupferoberfläche. Wie die Forscher außerdem entdeckten, benutzt das Molekül dazu eine spezielle Gangart, die auch von vierbeinigen Tieren bekannt ist.

Um den Mechanismus der Fortbewegung aufzuklären, berechneten die Chemiker, wie viel Energie das Molekül aufwenden muss, um genau einen Schritt vorwärtszukommen. Es gibt drei Möglichkeiten, wie so ein Schritt ablaufen kann. Zwei dieser Gangarten entsprechen dem Passgang und dem Trab bei Pferden. Bei Ersterem bewegt sich zuerst das Beinpaar einer Seite, dann das der anderen vorwärts, beim Trab dagegen jeweils die diagonal gegenüberliegenden Beine gemeinsam. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass alle vier Bindungsstellen sich gleichzeitig lösen und eine Position nach vorne springen.

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Molekularer Trab | Ein molekularer Trab, bei dem sich die diagonal gegenüberliegenden Beine bewegen, ist für das Molekül energetisch sehr ungünstig.
In der Computersimulation zeigte sich, dass der Trab für die vierfüßigen Moleküle energetisch extrem ungünstig ist – im Übergangszustand wird das komplette Molekülgerüst verbogen, während es bei den anderen Gangarten seine Form behält. Auch vierbeiniges Hüpfen ist keine optimale Art der Fortbewegung, bei Molekülen ebenso wenig wie bei Pferden. Deswegen heben vierbeinige Moleküle genau wie ihre zweibeinigen Artgenossen zuerst die eine Seite, dann die andere Seite an und bewegen sich so vorwärts.

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Molekularer Passgang | Erst die Beine auf der einen, dann die auf der anderen Seite – so schreitet das Molekül über die Metalloberfläche.
Einen fundamentalen Unterschied zu zweibeinigen Läufern stellten die Autoren allerdings fest, der große Auswirkungen auf zukünftige Nanotransporter für praktische Anwendungen hat: Dank eines quantenmechanischen Effekts sind zweibeinige Läufer deutlich schneller als vierbeinige. Sie nämlich können die Energiebarriere, die das Molekül für jeden Schritt überwinden muss, mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit durchtunneln und dadurch mehr Schritte machen, als rein thermisch möglich wären. Vierbeinige Moleküle können das nicht – die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Atome gleichzeitig ihre Aktivierungsbarrieren durchtunneln, ist unvorstellbar gering. (lf)
37. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 37. KW 2010

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  • Quellen
Bartels, L. et al.: Tunability in Polyatomic Molecule Diffusion through Tunneling versus Pacing. In: Journal of the American Chemical Society 10.1021/ja1027343, 2010.

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