Grazer Forscher entwickelten Mini-Mini-Motor
Immer kompakter, immer kleiner: Um in der Technik die Miniaturisierung voranzutreiben, orientieren sich Wissenschaftler auch am Vorbild der Natur. Im menschlichen Körper sorgen winzige Biomoleküle für Stofftransport, Zellteilung oder Muskelbewegung. Forscher wie Chemie-Nobelpreisträger Bernard Feringa oder auch der Grazer Experimentalphysiker Leonhard Grill träumen davon, solche „molekulare Motoren“ in Bewegung zu setzen, die um ein Vielfaches kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares.
Lichtgetriebener Nano-Motor
Diese im Labor designten Moleküle, die auf externe Reize hin gezielte Bewegungen ausführen, sind die grundlegenden Bauteile für zukünftige Nanomaschinen: Diese erhalten wiederum molekulare Motoren, die die zugeführte Energie nutzen und in mechanische Bewegungen umwandeln sollen.
Vielversprechende Kandidaten für derartige Motoren sind Moleküle, die unter Lichteinfluss ihre Struktur ändern. „Damit können wir die Maschinen aus der Ferne aktivieren und außerdem Milliarden Moleküle gleichzeitig bewegen“, erklärt Grill den Vorteil von lichtgetriebenen molekularen Motoren. Zum Antrieb für ihre Nano-Motoren verwenden Forscher von der Grazer Arbeitsgruppe „Single-Molecule Chemistry“ üblicherweise Laserimpulse aus der Spitze eines Rastertunnelmikroskops.
Grill entwickelte nun mit Partnern der Rice University in Houston eine nur zwei Millionstel Millimeter große Maschine - mit eingebautem Molekül-Motor: „Wir wollten nachweisen, dass es tatsächlich der Motor ist, der das Molekül bewegt“, schildert Grill, und das ist alles andere als einfach, sondern „experimentell unglaublich schwierig“. Diese Herausforderung schaffte das österreichisch-amerikanische Team nun, wie die Wissenschafter in der jüngsten Ausgabe des Magazins „ACS Nano“ veröffentlichten.
Ohne Motor keine Bewegung
Die Forscher untersuchten in den Experimenten die Position einzelner Moleküle bei sehr niedriger Temperatur auf einer Kupfer-Oberfläche vor und nach der Bestrahlung mit Laserlicht. Innerhalb von 60 Minuten legten die Nano-Maschinen Distanzen von rund 20 Nanometern zurück. Bei unterschiedlichen Wellenlängen wurden Änderungen des mikroskopischen Effekts beobachtet: „Die Wellenlänge von 355 Nanometer hat sich als die für die Chemie des Motors beste Wellenlänge erwiesen“, so Grill - und als die Motoreinheit aus den Molekülen entfernt wurde, fand gar keine Bewegung mehr statt. Dass sich die Moleküle nur in eine Richtung bewegen, habe sich allerdings noch nicht zwingend nachweisen lassen: „Nach unseren Erkenntnissen gibt es eine Präferenz für eine bevorzugte Ausrichtung“, schränkt Grill noch ein.
Ein Fernziel der Grazer Forscher ist es unter anderem, verschiedene molekulare Motoren, die in eine Nano-Maschine eingesetzt werden, mit unterschiedlichen Wellenlängen anzusteuern und damit zu gezielter Bewegung zu veranlassen.