11.02.2020

Licht koppelt Nanomotoren

Lichtgetriebener molekularer Motor überträgt Bewegung auf eine andere molekulare Einheit.

Licht­getriebene molekulare Motoren, die gezielte Drehbewegungen ausführen, haben großes Potenzial für zukünftige Anwendungen in der Nano­technologie. Damit solche Motoren als Antrieb genutzt werden können, müssen sie in größere molekulare Einheiten integriert und ihre mechanischen Bewegungen auf Nano­maschinen übertragen werden – derzeit eine große Herausforderung für Wissenschaftler. Der LMU-Forscher Henry Dube ist mit seinem Team auf diesem Weg nun einen wichtigen Schritt voran­gekommen: Die Wissenschaftler konnten einen Motor mit einer Empfänger­einheit koppeln und deren Drehung dadurch deutlich beschleunigen.

Abb.: Versuchs­aufbau für die Unter­suchung von licht­getriebenen...
Abb.: Versuchs­aufbau für die Unter­suchung von licht­getriebenen mole­kularen Motoren. (Bild: LMU)

Der molekulare Motor basiert auf dem Molekül Hemithioindigo, das eine Kohlenstoff-Doppel­bindung hat. Unter Lichteinfluss verändert das Molekül seine Struktur und rotiert uni­direktional um seine Doppel­bindung. „Bereits in einer 2018 veröffent­lichten Arbeit ist es uns gelungen, diese Doppelbindung wie mit einem molekularen Seil mit einer Einfachbindung in einem zweiten Molekülteil zu verbinden“, sagt Dube. „Diese Einfach­bindung dreht aufgrund von Wärme zwar auch alleine, aber durch die Kopplung ist es uns gelungen, die Bewegungs­richtung zu übertragen, das heißt, wir haben die Bindung gezwungen, nur in eine Richtung zu drehen.“

Ungeklärt war allerdings noch, ob der Motor die Bewegung der zweiten Bindung auch wirklich antreibt und nicht nur ihre Richtung lenkt. Deshalb haben die Wissen­schaftler nun eine Bremse eingebaut, die verhindert, dass sich die Einfach­bindung unter Versuchs­bedingungen von selbst dreht – der Motor muss also Arbeit gegen die Bremse leisten, um die Einfachbindung zum Drehen zu bringen. „So konnten wir nachweisen, dass der Motor die Drehung der Einfach­bindung wirklich beschleunigt – und das sogar um mehrere Größen­ordnungen“, sagt Dube.

Insgesamt ermöglichen die Ergebnisse nach Ansicht der Wissenschaftler beispiel­lose Einblicke in den Mechanismus einer inte­grierten molekularen Maschine. Zudem kann die in dem System nutzbare poten­zielle Energie quantifiziert werden. Die aktuellen Ergebnisse liefern daher erste Antworten auf die Frage, wieviel Arbeit ein einzelner molekularer Motor auf der mole­kularen Skala tatsächlich leisten kann. „Ein nächster Meilenstein wird es sein, die über­tragene Energie zur Ausführung von Arbeiten auf molekularer Ebene zu nutzen“, sagt Dube. 

LMU / JOL

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