Treibstoff für Nanomotoren

Molekulare Maschinen arbeiten in nahezu jedem biolo­gischen Prozess. Künst­liche Motoren aus einzelnen Molekülen haben das Potenzial, in Zukunft als Nano­motoren in winzigen tech­nischen, chemischen und medi­zi­nischen Abläufen einge­setzt zu werden. Auf dem noch langen Weg, künst­liche Nano­motoren produ­zieren und vor allem kontrol­lieren zu können, gelang nun Forschern aus Groß­britannien ein wichtiger Schritt. Sie ent­wickelten einen Molekül­motor, der wie ein Ver­brennungs­motor von einem einzigen Treib­stoff ange­trieben wird und nach Versiegen des Treib­stoff­vorrats stoppt. Damit gesellt sich zu Licht, elek­trischen Feldern, magne­tischen Feldern und Wärme eine weitere Kontroll­möglich­keit für synthe­tische Molekül­motoren.

„Bisher entwickelte molekulare Motoren benötigten die Zugabe von mehreren Reagenzien und einige chemische Zwischen­schritte“, sagt David Leigh von der Uni­versity of Manchester. Der neue Nano­motor, den er zusammen mit seinen Kollegen ent­wickelte, braucht dagegen nur eine einzige Chemi­kalie als Treib­stoff. Liet diese in aus­reichender Menge vor, setzt eine konti­nu­ierliche, gerichtete Rotations­bewegung ein. Diese Bewegung stoppt, sobald die Treib­stoff-Substanz ver­braucht ist.

Aufgebaut ist der Motor aus einem ringförmigen Makro­molekül namens Catenan. Um diesen Ring kann sich das eigent­liche, eben­falls ring­förmige Motor­molekül aus Benzyl­amid bewegen. Um eine gerichtete Rotation des Benzyl­amid-Rings um den Catenan-Ring zu erhalten, ist das regel­mäßige Andocken und Ablösen der Treib­stoff-Chemikalie 9-Fluorenyl­methoxy­carbonyl – kurz Fmoc – nötig. Die Fmoc-Moleküle reagieren mit dem Catenan-Ring. Bei der Reaktion wird über eine exergo­nische Reaktion Energie frei­ge­setzt, die zur Verlagerung des Benzyl­amid-Rings um bis zu 180 Grad im Uhr­zeiger­sinn führt. Wieder­holtes Andocken und Ablösen der Fmoc-Moleküle ermög­lichen so eine langsame Rotation des Benzyl­amid-Rings. Als Nach­weis für die Bewegung dienten den Forscher H-NMR-Spektren. Ging im Versuch der Treib­stoff, der als Fmoc-Chlorid-Verbindung vorlag, zur Neige, stoppte auch die Rotations­bewegung.

In diesem Grundlagenexperiment dauerte eine voll­ständige 360 Grad-Umrundung aller­dings etwa zwölf Stunden. So kontrol­liert die Bewegung auch gewesen sein mag, ist dies für eine sinn­volle Anwendung als Nano­motor viel zu langsam. Dessen sind sich auch Leigh und Kollegen bewusst. „Aber auch das aller­erste Auto von Carl Benz fuhr 1885 gerade mal Schritt­ge­schwin­dig­keit“, sagt Leigh. So hofft er, über die Variation weiterer Para­meter wie Tempe­ratur oder Fmoc-Konzen­tration die Rotations­bewegung beschleunigen zu können.

Jan Oliver Löfken

RK