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Nanochemie : Ein molekulares Karussell

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Ein Nano-Auto auf einer Kupferscheibe: Für die Entwicklung von molekularen Maschinen bekamen Ben Feringa und zwei weitere Wissenschaftler 2016 den Chemie-Nobelpreis. Bild: dpa

Der Chemie-Nobelpreisträger Ben Feringa wartet mit einer verblüffenden Erfindung auf: Er hat einen winzigen Nanomotor gebaut und ihn mit einem Getriebe ausgestattet. Hat dieses Gebilde auch einen Anwendungsnutzen?

          Es ist ein faszinierender Nanokosmos, den Chemiker entwerfen, wenn sie sich mit supramolekularer Chemie beschäftigen. Aus einzelnen Molekülen fügen sie im Reagenzglas Gebilde zusammen, deren Abmessungen nur wenige Millionstel Millimeter betragen. Dabei entstehen funktionale Einheiten wie ein molekularer Schalter, ein Miniatur-Aufzug oder eine Anordnung, die sich wie ein Muskel zusammenzieht. Für das Design und die Synthese von solchen molekularen Maschinchen haben im vergangenen Jahr drei Wissenschaftler den Chemie-Nobelpreis erhalten. Einer der Geehrten war der Niederländer Ben Feringa, der nun mit einer neuen verblüffenden Kreation aufwartet: Der Forscher von der Universität Groningen hat mit seinen Mitarbeitern einen winzigen Motor gebaut und ihn mit einer Art Getriebe ausgestattet.

          Feringa hatte das Bauteil erstmals 1999 vorgestellt. Der Motor selbst besteht aus zwei organischen Molekülen (einem Fluoren-Rest und einem Indan-Rest), die über eine Doppelbindung miteinander verbunden sind. Die Doppelbindung dient als Drehachse, um die die beiden Molekülgruppen frei rotieren können. Wird das Konstrukt mit ultraviolettem Licht bestrahlt, beginnt es sich in eine Richtung zu drehen. Feringa und seine Kollegen haben ihren Motor nun mit einem Naphthalin-Rest verknüpft. Dieser besteht aus zwei miteinander verbundenen Benzolringen und besitzt dadurch die Form eines Paddels. Wenn der Motor rotiert, kreist die Naphthalin-Einheit außen um den Motor herum. Dabei wendet sie dem Motor stets dieselbe Seite zu – ähnlich wie der Mond, von dem man von der Erde aus auch stets nur dieselbe Seite sieht.

          Bild: F.A.Z.

          Das winzige Getriebe ist so konstruiert, dass es sich, angeregt durch einen ultravioletten Laserstrahl, mit einer Wellenlänge von 365 Nanometer kontinuierlich in eine Richtung dreht. Die Rotation stoppt, sobald man den Laser ausschaltet. Bei einer vollen Umkreisung der Naphthalin-Einheit lassen sich vier Phasen unterscheiden (siehe Grafik). Zunächst dreht sich im Motormolekül die Doppelbildung um 180 Grad. Der Fluoren- und der Indan-Rest werden dadurch gleichsam verdrillt. Synchron dazu richtet sich die am Indan-Rest des Motors angehängte Naphthalin-Einheit neu aus, so dass sie dem Motor fortwährend eine Seite zuwendet. Im zweiten Schritt gleitet das Naphthalin-Paddel ein gutes Stück um die Achse des Motors herum. Dadurch wird verhindert, dass das Motormolekül sich in die andere Richtung dreht. Dann setzt sich die Abfolge dieser beiden Schritte fort, bis die gesamte Anordnung einmal um 360 Grad rotiert ist. Das Procedere vollzieht sich bei Raumtemperatur. Die einzelnen Phasen des Antriebs haben die Forscher mit verschiedenen Analysemethoden überprüfen und die Abfolge bestätigen können.

          Für Feringa wie für die anderen Ingenieure des Nanokosmos dient bei ihren Forschungen stets die Natur als Vorbild. Denn dort gibt es eine Vielzahl an Beispielen, wo Moleküle ganz kontrollierte Bewegungen vollziehen und damit Arbeit wie winzige Maschinen verrichten. Noch haben die von den Nanokonstrukteuren geschaffenen Gebilde keinen konkreten Anwendungsnutzen. Doch gelingt es den Chemikern zunehmend, Kontrolle über die Bewegungen zu gewinnen. Vor sechs Jahren verblüffte der Niederländer die Fachwelt mit einem molekularen Auto, das er mit Kollegen entwickelte. Bei dem Vehikel wurde das Rotorprinzip des molekularen Motors genutzt. Das Gefährt fuhr mit einem 4-Rad-Antrieb über eine Oberfläche.

          Quelle: F.A.Z.

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