Immer kompakter und kleiner und gezielt mobil: Um bei der Miniaturisierung voranzukommen, orientieren sich Wissenschaftler auch am Vorbild der Natur. Im menschlichen Körper sorgen beispielsweise winzige Biomoleküle für Stofftransport, Zellteilung oder Muskelbewegung. Die Vision von Forschern wie dem Grazer Experimentalphysiker Leonhard Grill ist es, solche „molekularen Maschinen“, die um ein Vielfaches kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares, selbst zu entwickeln und in Bewegung zu setzen. Die beweglichen winzigen Nano-Maschinen könnten dann mit einzelnen Atomen oder Molekülen hantieren und fantastische neue Werkstoffe herstellen oder Substanzen transportieren.
Erstmals exakte Steuerung möglich
Eine Herausforderung besteht darin, die Bewegung der funktionalen Moleküle gezielt in eine Richtung zu lenken – diesem Ziel ist der Leiter der Grazer Arbeitsgruppe „Single-Molecule Chemistry“ in Zusammenarbeit mit Kollegen der US-amerikanischen Rice University in Houston einen Schritt näher gekommen: Gemeinsam entwickelten sie einen Mini-Rotor und können seine Drehung erstmals exakt steuern.
Die Arbeit der Forscher spielt sich in Nanometer-Dimension ab – ein Nanometer ist der milliardste Teil eines Meters. „Wir haben es geschafft, ein Molekül mit einer Größe von nur einem Nanometer mit höchster Präzision auf einer Silberoberfläche rotieren zu lassen“, so Grill am Donnerstag. Für eine exakt definierte Drehung in die gewünschte Richtung sorgt die spezielle Wechselwirkung der Moleküle mit der Oberfläche – das übertreffe die natürlich vorhandene zufällige Drehung, die von den Gesetzen der Thermodynamik vorgegeben wird. „Unsere Entwicklung ist damit wesentlich genauer und effizienter als alle bisherigen Rotoren aus Einzelmolekülen“, so der Grazer Experimentalphysiker.
Auch Seitwärts-Bewegung möglich
Dem Wissenschaftler-Team gelang es auch, die Drehachse des Mini-Rotors durch einzelne Silberatome gezielt abzuschwächen – dadurch kann sich das Molekül auf Wunsch auch seitwärts bewegen. Dieses Verhalten habe man in Kooperation mit theoretischen Chemikern der Uni Graz aufgeklärt. „Damit haben wir gezeigt, welche Bedeutung eine chemisch exakt definierte Achse für die Stabilität eines solchen miniaturisierten Rotors hat“, so Grill.