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Nanotechnologie : Krabbelstunde für Moleküle

Pentacen-Tetron aus fünf Benzolringen und vier Sauerstoffatomen - an jeder Seite zwei -, die die Beinchen bilden. Bild: Fotos University of California in Riverside, Ludwig Bartels

Organisch und recht behände: Manche aromatische Verbindungen können von Natur aus auf einer Oberfläche umherlaufen. Ihre Gangart gleicht mal der eines Fußgängers, mal der eines Pferdes.

          Die Natur ist für Nanowissenschaftler ein unerschöpflicher Ideengeber, schließlich hat sie für jede noch so komplizierte Aufgabe eine entsprechende biomolekulare Maschine ersonnen. Motorproteine bringen beispielsweise im Kollektiv ganze Muskeln zur Kontraktion oder transportieren Eiweißmoleküle im Huckepackprinzip in den Zellen hin und her. Dabei wandern sie Fußgängern gleich mit ihren zwei Fortsätzen entlang von Muskelfasern oder bewegen sich auf den röhrenförmigen Mikrotubuli, dem Schienennetz der Zellen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Die natürlichen Maschinen sind jedoch viel zu komplex, als dass man sie einfach nachbauen könnte. Man experimentiert deshalb häufig mit einfachen Hybridsystemen aus Biomolekülen und anorganischen Komponenten. Dass manche organische Verbindungen bereits von Natur aus erstaunliche läuferische Fähigkeiten besitzen, haben Forscher von der University of California in Riverside entdeckt.

          Sauerstoffatome als Füße

          Vor fünf Jahren waren Ludwig Bartels und seine Kollegen erstmals auf das läuferische Potential der aromatischen Substanz Anthrachinon aufmerksam geworden. Diese zur Herstellung von Farben und Wirkstoffen wichtige Verbindung besteht aus drei miteinander verknüpften aromatischen Kohlenstoffringen, von denen der mittlere Ring an jeder Seite ein Sauerstoffatom trägt. Auf eine extrem kalte und saubere Kupferoberfläche gesetzt, beginnt Anthrachinon sofort vorwärts in eine Richtung zu laufen. Mit dem Tunnelmikroskop lässt sich beobachten, wie die beiden seitlichen Sauerstoffatome wie Füße wirken, die abwechselnd Kontakt zu den Kupferatomen der Oberfläche suchen und auf diese Weise das ganze Molekül nach vorne schieben. Die Energie für ihre Bewegung bezieht das Molekül aus der geringen Wärme, die es trotz der tiefen Temperatur bis zu minus 250 Grad auf der Kupferoberfläche nutzen kann.

          Die Forscher beobachteten in anschließenden Versuchen, dass Anthrachinon sogar kleine Lasten transportieren kann. Kohlendioxidmoleküle etwa, die man dem Molekül in den Weg stellte, koppelten an die Sauerstoffatome an und blieben daran haften, während der rund einen Nanometer lange Zweibeiner seinen Weg unbeirrt fortsetzte.

          Passgang und Trab

          Motiviert von den ersten Experimenten, haben sich Bartels und seine Kollegen in ihren jüngsten Versuchen zwei größeren aromatischen Molekülen zugewandt – Pentachinon und Pentacen-Tetron, die aus jeweils fünf miteinander verknüpften aromatischen Kohlenstoffringen bestehen. Während Pentachinon wie Anthrachinon nur über zwei Sauerstoffatome verfügt, besitzt das Pentacen-Tetron-Molekül vier Sauerstoffatome als Beine, von denen jeweils zwei an einer Seite sitzen. Bewegungsstudien offenbarten die erstaunlichen läuferischen Fähigkeiten der aromatischen Moleküle. Während das Pentachinon wie Anthrachinon auf der Kupferoberfläche einem Fußgänger gleich ein Sauerstoffatom vor das andere setzte, war beim Pentacen-Tetron eine Gangart zu beobachten, wie man sie von Pferden her kennt – der Passgang.

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