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Chemie-Nobelpreis 2016 : Im Fuhrpark der molekularen Werkstatt

Nur zwei Nanometer groß ist in Wirklichkeit das molekulare Gefährt, das man hier in einer Illustration sieht. Bild: Randy Wind, Martin Roelfs

Der Chemie-Nobelpreis geht in diesem Jahr an drei Nanowissenschaftler. Sie haben gezeigt, dass man winzige Scharniere, Propeller, Getriebe und sogar Nanoautos aus organischen Molekülen herstellen kann.

          Jede Menge Spielraum nach unten versprach Richard Feynman 1959 auf einer Tagung und beschrieb eine Technik, mit der sich aus wenigen Atomen elektrische Schaltkreise, kleine Motoren und Maschinen konstruieren ließen. Die Zuhörer werden nicht schlecht gestaunt haben, schließlich standen damals weder die Materialien noch die entsprechenden Werkzeuge dafür zur Verfügung. Feynman wagte sogar die Behauptung, dass man sich im Jahre 2000 ernsthaft fragen würde, warum man erst 1960 begonnen hatte, in diese Richtung zu forschen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Fast sechzig Jahre später sind die Vorhersagen des amerikanischen Physikers nicht nur auf dem Gebiet der Mikroelektronik längst Realität geworden. Die Forscher können heutzutage Gleitlager, Spiralfedern, funktionsfähige Gitarren, Propeller, Motoren und Autos herstellen, die nur einen Bruchteil eines Sandkorns messen. Dass Feynmans Vision Wirklichkeit wurde, ist nicht zuletzt den Arbeiten von Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart und Ben Feringa zu verdanken, die mit dem diesjährigen Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet werden. „Für das Design und die Synthese von molekularen Maschinen“, begründete das Nobel-Komitee des Karolinska-Instituts in Stockholm seine Entscheidung.

          Zwei molekulare Ringe werden zum Scharnier

          Für viele Wissenschaftler ist die Natur ein unerschöpflicher Ideengeber, schließlich hat sie für jede noch so komplizierte Aufgabe, die ihr begegnet, eine entsprechende biomolekulare Maschine ersonnen. Motorproteine bringen Muskeln zur Kontraktion oder transportieren Eiweißmoleküle im Huckepackprinzip in den Zellen hin und her. Die natürlichen Maschinen sind jedoch viel zu komplex, als dass man sie einfach nachbauen könnte. Die Forscher experimentieren deshalb häufig mit einfachen Hybridsystemen aus organischen Molekülen und anorganischen Komponenten.

          Jean-Pierre Sauvage in seinem Labor am Mittwoch in Straßburg Bilderstrecke
          Jean-Pierre Sauvage in seinem Labor am Mittwoch in Straßburg :

          Die ersten Syntheseschritte hin zu einer funktionierenden molekularen Maschinen unternahm der Franzose Jean-Pierre Sauvage, als er in den achtziger Jahren in seinem Labor an der Universität Straßburg in einem Reagenzglas ringförmige organische Moleküle so miteinander verknüpfte, das je zwei wie Kettenglieder ineinander griffen. Eingebaute Molekülgruppen sorgten dafür, dass sich aber nur einer der Ringe frei bewegen konnte. Der andere war an einer bestimmten Stelle fixiert. Bei Wärmezufuhr begann sich das freie Ringmolekül in eine Richtung zu bewegen. Unterbrach man die Energieversorgung, hörte die Rotation auf. Der 1944 in Paris geborene Chemiker hatte eine Art molekulares Scharnier hergestellt, das erste seiner Art. Eine weiteres Novum: Das Scharnier basierte nicht auf chemischen Bindungen, sondern funktionierte rein mechanisch.

          Zwei Moleküle üben den Aufzug

          Auf die Arbeiten von Sauvage, der weitere molekulare Ringstrukturen synthetisierte, baute Anfang der neunziger Jahre der britisch-amerikanische Chemiker Sir Fraser Stoddart an der University of Birmingham auf. Er konstruierte eine Art Aufzug in Molekülgröße. Dazu fädelte er in einer wässerigen Lösung eine ringförmige organische Verbindung auf ein hantelförmiges Molekül. Große Moleküle am Ende der Hantel verhinderten, dass der Ring herunterrutschen konnte.

          Wurde das System erwärmt, fuhr das Ringmolekül ähnlich wie die Kabine eines Lifts die Hantel hinauf. Kühlte es ab, bewegte sich der Ring wieder nach unten. Den Vorgang konnte Stoddart nicht mit eigenen Augen sehen. Er spielte sich auf einer Länge von knapp einem Millionstel Millimeter (also einem Nanometer) ab. Er musste zu einem der speziellen Mikroskope greifen, die gerade entwickelt worden waren und die nötige Auflösung erreichten. Der 1942 in Edinburgh geborene Forscher, der seit 2003 an der University of California in Los Angeles arbeitet, hat eine Reihe molekularer Maschinen entwickelt: künstliche Muskeln, molekulare Schalter und einen molekularen Computerchip mit einem Speicher von 20 Kilobyte.

          Das Nanoauto startet durch 

          Der dritte Preisträger, der Niederländer Ben Feringa, gab dem Gebiet einen weiteren Schub, als er 1999 ein aromatisches Molekül an einer Achse fixierte und wie einen Propeller in eine Richtung rotieren ließ. Mit den molekularen Propellern hatte der 1951 in Barger-Compascuum geborene Chemiker auch gleichzeitig Räder geschaffen. Und so dauerte es nur wenige Jahre, bis Feringa mit seinen Kollegen an der Universität Groningen das erste Nanoauto vorfahren ließ. Es bestand aus gut einem Dutzend organischer Moleküle und maß etwa zwei Nanometer. Das Vehikel bewegte sich – angetrieben durch Licht – auf einer Goldoberfläche vorwärts, pro Radumdrehung etwa einen Nanometer weit. Wozu die winzigen Maschinchen eines Tages zu gebrauchen sein werden, bleibt reine Spekulation. Vielleicht, um Wirkstoffe in die Blutbahn des Körpers zu transportieren.

          Quelle: F.A.Z.

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