Chemie-Nobelpreis 2016 Winzige Maschinen, riesiges Potenzial

Autos, Fahrstühle und Rotoren im Molekülformat: Drei Chemiker erhalten den Nobelpreis für die Entwicklung von Maschinen, die nur wenige Nanometer groß sind. Deren Potenzial für die Zukunft ist verheißungsvoll.

Molekulares Auto (Illustration)
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Molekulares Auto (Illustration)

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Er fühle sich ein bisschen wie die Brüder Wright nach ihrem Jungfernflug vor rund hundert Jahren, sagt Bernard Feringa. Sie seien damals gefragt worden, weshalb man überhaupt eine Flugmaschine brauche. "Heute", sagt der Chemiker, "haben wir die Boeing 747 und Airbus." Deshalb wird heute wohl niemand mehr die Frage stellen, wozu man Flieger brauche. Auch wenn man darüber diskutieren kann, dass der internationale Flugverkehr nicht nur Vorteile, sondern auch Nachteile mit sich bringt.

Der Niederländer Feringa kann sich zu Recht mit Pionieren wie den Wright-Brüdern vergleichen. Denn er hat gemeinsam mit zwei Kollegen den Nobelpreis für Chemie 2016 erhalten: für den Entwurf und die Herstellung molekularer Maschinen. Ihre Forschung könnte einiges, was heute nur in Science-Fiction-Romanen zu finden ist, Wirklichkeit werden lassen.

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Nanotechnik: Die Erfinder molekularer Maschinen

Was werden die Mini-Maschinen können?

Noch sind die Entwicklungen von Bernard Feringa, Jean-Pierre Sauvage und Fraser Stoddart zwar Teil der Grundlagenforschung. Es ist jedoch gut vorstellbar, dass sich in den kommenden Jahren und Jahrzehnten vielfältige Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.

Beispielsweise könnten die molekularen Maschinen im Körper Medikamente an den Ort bringen, an dem sie benötigt werden. Oder Krebszellen aufspüren. Ebenso könnten sie die heutigen Computerchips ersetzen oder neuartige Batterien und Sensoren ermöglichen. Und vieles mehr.

Die drei mit dem Nobelpreis geehrten Chemiker haben mit ihren Experimenten die Grundlagen für solche Anwendungen gelegt, indem sie die ersten molekularen Maschinen entwickelt haben. Ihre Erfindungen sind nur wenige Nanometer groß, also weniger als ein Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares.

Bereits 1983 konstruierte der Franzose Jean-Pierre Sauvage, der heute an der Universität von Straßburg arbeitet, eine molekulare Kette aus ineinandergeschobenen Ringen. Catenane werden diese Moleküle genannt.

Synthese von Catenanen

Synthese von Catenanen

Zwar war es Chemikern schon Jahrzehnte zuvor gelungen, diese Catenane zu erzeugen, doch die Methoden waren extrem aufwendig und die hergestellten Mengen gering. Sauvage senkte den Aufwand und steigerte den Ertrag dramatisch, indem er einen Syntheseweg fand, an den zuvor kein Chemiker gedacht hat. Im Jahr 1994 gelang es seiner Arbeitsgruppe, einen der Ringe durch Energiezufuhr kreisen zu lassen und damit eine Basisanforderung für Maschinen zu erfüllen: Energie in gezielte Bewegung zu übertragen.

Der Brite Fraser Stoddart stellte mit seinen Kollegen eine ähnliche molekulare Maschine her. Er setzte eine Ringstruktur auf eine langgezogene Achse, Rotaxane heißen diese Moleküle. Hier springt der Ring auf der Achse zwischen zwei Andockstellen hin und her, wenn das Molekül Energie in Form von Wärme erhält.

Struktur der Rotaxane

Struktur der Rotaxane

Später konstruierte der an der Northwestern University (Evanston, US-Bundesstaat Illinois) forschende Chemiker einen molekularen Fahrstuhl, der sich um 0,7 Nanometer hebt, sowie molekulare Muskeln, die sich wie echte Muskeln zusammenziehen und strecken.

Molekularer Fahrstuhl

Molekularer Fahrstuhl

Feringa erschuf 1999 einen molekularen Motor, der unter UV-Licht nur in eine Richtung rotiert. 2011 präsentierte seine Arbeitsgruppe sogar ein Nanoauto, dem vier dieser Motoren als Räder dienen.

Heute ist zwar noch unklar, wozu man ein molekulares Auto überhaupt braucht. Die Antworten auf diese Frage versprechen aber, spannend zu sein.

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