Komplexe molekulare Rotation

Molekulare Motoren wandeln extern zugeführte Energie in gezielte Dreh­bewegungen um und sind damit eine wichtige Grundlage für zukünftige Anwendungen in der Nano­techno­logie. Die ersten derartigen Motoren wurden in den späten 1990er-Jahren entwickelt, seither hat sich eine wachsende Zahl unter­schied­licher Systeme etabliert. Ein Spezialist auf diesem Gebiet ist Henry Dube von der Uni München, der jetzt mit Aaron Gerwien einen wichtigen Durch­bruch geschafft hat: Den Wissen­schaftlern gelang es erstmals, einen molekularen Motor zu entwickeln, der eine komplexe Bewegung auf einer acht­förmigen Bahn ausführen kann.

Alle von Dube entwickelten molekularen Motoren basieren auf chemisch modifi­zierten Hemithio­indigo-Farbstoffen. Die Bewegung entsteht, in dem die Motoren auf verschiedene Weise um chemische Bindungen innerhalb des Moleküls rotieren. „Alle bisher bekannten molekularen Motoren konnten sich aber nur linear bewegen oder im Kreis drehen“, sagt Dube. Den neuen Motor entdeckten die Wissen­schaftler, als sie eine Julolidin-Gruppe einfügten, um die Schalt­eigen­schaften ihrer Motoren zu verbessern. „Experimen­tell haben wir dann heraus­gefunden, dass dadurch diese völlig neuartige Bewegung hervor­gerufen wird“, sagt Dube. „Vermutlich hängt das damit zusammen, dass Julolidin ein sehr starker Elektronen­donor ist.“

Insgesamt verläuft die achtförmige Bewegung des neuen Motors in vier Schritten, die abwechselnd durch Licht und durch thermische Energie angetrieben werden. Die thermischen Schritte induzieren dabei eine Hula-Twist-Rotation, durch die eine Struktur­änderung erfolgt, die das Rück­laufen der Bewegung verhindert. Ein weiterer Vorteil des Motors ist, dass die licht­ge­triebenen Schritte durch grünes Licht induziert werden können, also etwa durch Bestrahlung mit grünen LEDs. Grünes Licht ist viel energie­ärmer als UV- oder Blaulicht, mit dem die meisten bisherigen Motoren angetrieben werden. Sein Einsatz beein­flusst die Umgebung des Motors daher weniger als energie­reicheres Licht, durch das beispiels­weise chemische Bindungen gespalten werden könnten. Die Wissen­schaftler sind überzeugt, dass ihr neues Antriebs­system die Möglich­keiten molekularer Maschinen deutlich erweitern und der Nano­techno­logie neue Anwendungen eröffnen wird.

LMU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Gerwien, P. Mayer & H. Dube: Green Light Powered Molecular State Motor Enabling Eight-Shaped Unidirectional Rotation, Nat. Commun. 10, 4449 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-12463-4
• FG H. Dube, Fklt. Pharmazie & Chemie, Ludwig-Maximilians-Universität München