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Nano-Maschinen: Forscher können Rotation von Molekülen exakt steuern

17.10.2019

Diese Meldung ist Teil einer wöchentlichen Zusammenfassung für den APA-Science-Newsletter Nr. 37/2019 und nicht zwingend tagesaktuell

Von Licht angetriebene, millionstel Millimeter kleine Maschinen könnten künftig eingesetzt werden, um gezielt Arbeit auf molekularer Ebene zu erledigen oder Prozesse zu steuern: etwa um Wirkstoffe an den Zielort zu transportieren oder um elektronische Strukturen aus einzelnen Atomen zu bauen. Dazu hat ein amerikanisch-österreichisches Forscherteam einen extrem miniaturisierten Rotor entwickelt.

Immer kompakter und kleiner und gezielt mobil: Um bei der Miniaturisierung voranzukommen, orientieren sich Wissenschafter auch am Vorbild der Natur. In unserem Körper sorgen beispielsweise winzige Biomoleküle für Stofftransport, Zellteilung oder Muskelbewegung. Die Vision von Forschern wie dem Grazer Experimentalphysiker Leonhard Grill ist es, solche "molekularen Maschinen", die um ein Vielfaches kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares, selbst zu entwickeln und in Bewegung zu setzen. Die beweglichen winzigen Nano-Maschinen könnten dann mit einzelnen Atomen oder Molekülen hantieren und fantastische neue Werkstoffe herstellen oder Substanzen transportieren.

Eine Herausforderung besteht darin, die Bewegung der funktionalen Moleküle gezielt in eine Richtung zu lenken. Dem Ziel ist der Leiter der Grazer Leiter der Arbeitsgruppe "Single-Molecule Chemistry" in Zusammenarbeit mit Kollegen der US-amerikanischen Rice University in Houston einen Schritt näher gekommen. Sie haben einen Mini-Rotor entwickelt und können seine Drehung erstmals exakt steuern. Wie das funktioniert, haben die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature Communications" veröffentlicht. Präzise arbeitende Rotoren sind ein Eckpfeiler der Entwicklung zukünftiger Nano-Maschinen.

Forschen im Nano-Bereich

Die Arbeit der Forscher spielt sich in Nanometer-Dimension ab. Ein Nanometer ist der milliardste Teil eines Meters. "Wir haben es geschafft, ein Molekül mit einer Größe von nur einem Nanometer mit höchster Präzision auf einer Silberoberfläche rotieren zu lassen", schilderte Grill in einer Mitteilung der Universität Graz. Für eine exakt definierte Drehung in die gewünschte Richtung sorgt die spezielle Wechselwirkung der Moleküle mit der Oberfläche. Das übertreffe die natürlich vorhandene zufällige Drehung, die von den Gesetzen der Thermodynamik vorgegeben wird. "Unsere Entwicklung ist damit wesentlich genauer und effizienter als alle bisherigen Rotoren aus Einzelmolekülen", so der Grazer Experimentalphysiker.

Dem Wissenschafter-Team ist es auch gelungen, die Drehachse des Mini-Rotors durch einzelne Silberatome gezielt abzuschwächen. Dadurch kann sich das Molekül auch auf Wunsch seitwärts bewegen. Dieses Verhalten habe man in Kooperation mit theoretischen Chemikern der Uni Graz aufgeklärt. "Damit haben wir gezeigt, welche Bedeutung eine chemisch exakt definierte Achse für die Stabilität eines solchen miniaturisierten Rotors hat", so Grill. Die Arbeit entstand im Rahmen eines vom EU-Programm "Future Emerging Technologies" finanzierten Projekts.

Service: G. J. Simpson, V. Garcia-Lopez, A. D. Boese, J. M. Tour, and L. Grill: "How to Control Single-Molecule Rotation", Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-019-12605-8 , Okt. 2019. Details zu den Forschungen von Leonhard Grill: www.nanograz.com

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