Grazer Forscher bringt molekulare Maschine in Fahrt

Millionstel Millimeter kleine Maschinen könnten in Zukunft eingesetzt werden, um gezielt Arbeit auf molekularer Ebene zu erledigen und vielfältige Prozesse zu steuern: Beispielsweise Wirkstoffe an den Zielort bringen oder elektronische Strukturen aus einzelnen Atomen bauen. Forschern aus Graz, Berlin und Houston ist es gelungen, so einen kleinen molekularen Transporter gezielt in Fahrt zu bringen.

Immer kompakter und kleiner: Um in der Technik die Miniaturisierung voranzutreiben, orientieren sich Wissenschafter auch am Vorbild der Natur. In unserem Körper sorgen winzige Biomoleküle für Stofftransport, Zellteilung oder Muskelbewegung. Forscher wie Chemie-Nobelpreisträger Bernard Feringa oder auch der Grazer Experimentalphysiker Leonhard Grill träumen davon, solche „molekulare Motoren“ in Bewegung zu setzen, die um ein Vielfaches kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares.

Nanomaschinen

Diese im Labor designten Moleküle, die auf externe Reize hin gezielte Bewegungen ausführen, sind die grundlegenden Bauteile für zukünftige Nanomaschinen: Diese erhalten wiederum molekulare Motoren, die die zugeführte Energie nutzen und in mechanische Bewegungen umwandeln sollen. Vielversprechende Kandidaten für derartige Motoren sind Moleküle, die unter Lichteinfluss ihre Struktur ändern. „Damit können wir die Maschinen aus der Ferne aktivieren und außerdem Milliarden Moleküle gleichzeitig bewegen“, erklärte Grill den Vorteil von lichtgetriebenen molekularen Motoren. Zum Antrieb für ihre Nano-Motoren verwenden Forscher wie Leonhard Grill von der Grazer Arbeitsgruppe „Single-Molecule Chemistry“ üblicherweise Laserimpulse aus der Spitze eines Rastertunnelmikroskops.

Grill hat mit Partnern der Rice University in Houston (Texas/USA) eine nur zwei Millionstel Millimeter große Maschine entwickelt - mit eingebautem Molekül-Motor. „Wir wollten nachweisen, dass es tatsächlich der Motor ist, der das Molekül bewegt“, schilderte Grill. Und das ist alles andere als einfach, sondern „experimentell unglaublich schwierig“, umriss der Forscher, der in Graz ein siebenköpfiges Team leitet. Diese Herausforderung hat das österreichisch-amerikanische Team nun geschafft, wie die Wissenschafter in der jüngsten Ausgabe des Magazins „ACS Nano“ veröffentlicht haben.

Bestrahlung mit Laserlicht

Die Forscher haben in den Experimenten die Position einzelner Moleküle bei sehr niedriger Temperatur auf einer Kupfer-Oberfläche vor und nach der Bestrahlung mit Laserlicht untersucht. Innerhalb von 60 Minuten legten die Nano-Maschinen Distanzen von rund 20 Nanometern zurück. Bei unterschiedlichen Wellenlängen wurden Änderungen des mikroskopischen Effekts beobachtet: „Die Wellenlänge von 355 Nanometer hat sich als die für die Chemie des Motors beste Wellenlänge erwiesen“, sagte Grill. Und als die Motoreinheit aus den Molekülen entfernt wurde, fand gar keine Bewegung mehr statt. Dass sich die Moleküle nur in eine Richtung bewegen, habe sich allerdings noch nicht zwingend nachweisen lassen: „Nach unseren Erkenntnissen gibt es eine Präferenz für eine bevorzugte Ausrichtung“, schränkte Grill noch ein.

Ein Fernziel der Grazer Forscher ist es unter anderem, verschiedene molekulare Motoren, die in eine Nano-Maschine eingesetzt werden, mit unterschiedlichen Wellenlängen anzusteuern und damit zu gezielter Bewegung zu veranlassen.