Natur & Technik

Ben Feringa sieht selbstreparierende Materialien als erste Anwendungen © APA/AFP/University of Groningen
Ben Feringa sieht selbstreparierende Materialien als erste Anwendungen © APA/AFP/University of Groningen

Kooperationsmeldung

Wie man mit Hilfe der Chemie Nanomaschinen baut

01.06.2018

Diese Meldung ist Teil einer Medienkooperation mit dem Institute of Science and Technology (IST) Austria

Kleiner geht es nun wirklich nicht mehr. Der niederländische Chemie-Nobelpreisträger Ben Feringa baut Maschinen aus nur wenigen Molekülen - etwa ein "Nanoauto" mit Allradantrieb. Dessen Räder werden mit Licht angetrieben - ein Prinzip, das er sich von der Netzhaut abgeschaut hat, wie Feringa zur APA sagte. Am Montag (4. Juni) sprach er am Institute of Science and Technology (IST) Austria in Klosterneuburg.

"Wenn ich jemanden sehe, gibt es in meinen Augen Millionen von molekularen Schaltern, die auf das Licht reagieren", sagte Feringa, der am Stratingh Institut für Chemie der Universität Groningen (Niederlande) forscht. Mit Kollegen habe er solche Schalter dazu gebracht, sich nicht hin und her zu bewegen, sondern eine Kreisbewegung durchzuführen. Er dreht sich deshalb um 360 Grad und wurde damit zum lichtgetriebenen Nanomotor.

Er nehme sich oft die Natur zum Vorbild, doch im Gegensatz zu natürlichen Systemen sei er nicht auf ein paar verfügbare Bausteine wie Aminosäuren und DNA angewiesen. "In der Chemie können wir alles benutzen, was wir designen können und was realisierbar ist, die Möglichkeiten dazu sind nahezu endlos", erklärte Feringa, der bei der IST Lecture über "Die Kunst, klein zu bauen" spricht.

In der großen Makrowelt würde man sich auch vieler künstlicher Materialien bedienen, wie etwa Plastik. "Ein Flugzeug wie die Boeing 747 besteht aus 3,5 Millionen Teilen, ist komplett künstlich hergestellt, aber es fliegt sehr nett", sagte der Forscher: "Wir bauen nichts anderes als solche Maschinen, die allerdings viel kleiner sind."

Moleküle als Bauteile

Seine Arbeit spielt sich in der Nanometer-Dimension ab. Ein Nanometer ist der Milliardste Teil eines Meters. Ein Nanopartikel ist im Vergleich zu einem Fußball etwa so groß wie jener Fußball im Vergleich zum Erdball. Um es abzubilden, braucht man spezielle Geräte wie etwa Elektronen- oder Rastersondenmikroskope. Die Bauteile von Nanopartikeln und -maschinen sind einzelne Moleküle.

Bisher hat man in der Nanotechnik vor allem statische Dinge fabriziert, erklärte Feringa. Etwa schmutzabweisende Nanooberflächen oder Nanoteilchen für Sonnenschutzcremes. "In der Makrowelt gibt es zwar auch viele starre künstliche Dinge wie Seife und Plastik, aber praktisch alle unsere großen Errungenschaften wie Autos, Eisenbahnen, Flugzeuge und Maschinen sind dynamische, bewegliche Geräte", sagte er. Auch der menschliche Körper und die ganze Tierwelt seien dynamisch-beweglich.

Er und mittlerweile eine erkleckliche Anzahl von anderen Forschern rund um die Welt bauen nun bewegliche Geräte aus dynamischen Molekülen in der Nanowelt. "Dies öffnet gewaltig viele neue Möglichkeiten, denn plötzlich kann man damit alle möglichen Dinge machen, die reaktionsfähig sind und Bewegungen durchführen", so der Forscher. Allerdings seien diese Basteleien freilich ungleich schwieriger, als statische Materialien zu erstellen.

Hauptsächlich bediene man sich dazu der "althergebrachten" chemischen Synthese in den Labors, die Methoden funktionieren nicht anders, als zum Beispiel in der chemischen Industrie, oder bei der Herstellung von Pharmazeutika. Zusätzlich komme manchmal auch die Gentechnik zum Einsatz.

Steuerung durch Licht

Steuern kann man die Bewegungen der Nano-Maschinen zum Beispiel durch Licht, wie etwa bei Feringas Nobelpreis-gewürdigtem Nanomotor. Aber auch magnetische und elektronische Felder kämen als Kontrollelemente in Frage.

Feringa arbeitet mit seinen Kollegen auch an "schlauen Arzneimitteln", also Wirkstoffen, die man an- und abschalten kann, oder die dies automatisch tun. Als Beispiel nannte er ein Antibiotikum, das man mit Licht stimuliert und das sich nach einer gewissen Zeit bei Körpertemperatur in einen Ruhemodus versetzt. Dies wäre ein Mittel, um Antibiotikaresistenzen zu bekämpfen. Freilich seien auch winzige Roboter denkbar, aber bis es solche gibt, werde noch viel Zeit vergehen. "Wir dürfen nicht vergessen, dass dies alles noch basale Grundlagenforschung ist", erklärte der Forscher.

Die Physiker und Chemiker hätten zum Beispiel in den 1940er und -50er-Jahren Flüssigkristalle und die ersten Transistoren entwickelt, und es habe ein halbes Jahrhundert gedauert, bis man daraus Smartphones baute. Von den grundlegenden Arbeiten bis zur technischen Anwendung dauere es also stets eine geraume Zeit, und viele verschiedene Disziplinen und Personen wie Ingenieure, Chemiker, Physiker, Materialwissenschafter und andere müssten dazu beitragen, dass man eine Errungenschaft der Grundlagenforschung im täglichen Leben einsetzen kann.

Selbst putzende Fenster

"Die ersten Anwendungen der winzigen Nanomaschinen sind wahrscheinlich selbstreparierende Materialien", so der Nanoingenieur. "Wenn man einen Kratzer am Finger hat, repariert sich das selbst, aber bei normalen künstlichen Materialien muss man dies auf diese oder jene Art von außen tun", erklärte er. Dynamische Nanomaterialien könnten das wohl in zehn bis 20 Jahren ebenso von selbst. Auch selbstreinigende Oberflächen hält er für recht bald realisierbar, die Fenster könnten sich also in absehbarer Zeit dank integrierter Nanomaschinchen von selber putzen. Auch "schlaue Arzneistoffe" seien Zukunftsmusik, die recht bald gespielt werden könnte.

Ben Feringa wurde im Mai 1951 in den Niederlanden geboren. Er studierte an der Universität Groningen Chemie, forschte bei Shell und wurde anschließend Dozent und Professor für Organische Chemie an seiner "Alma Mater". 2016 erhielt er mit Jean-Pierre Sauvage und Fraser Stoddart den Nobelpreis für Chemie für "das Design und die Synthese von molekularen Maschinen".

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