Nanotechnologie Mini-Motor besteht aus nur einem Molekül

Forscher haben den kleinsten Elektromotor der Welt konstruiert. Das winzige Bauteil hat einen Durchmesser von nur einem Millionstel Millimeter - und ein Problem: Es funktioniert nur bei extremer Kälte.


Er ist der Kleinste der Kleinen unter den Motoren: US-Chemiker haben einen Antrieb vorgestellt, der aus nur einem Molekül besteht. Sein Durchmesser beträgt nur einen Nanometer. Damit ist er 60.000-fach kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haars; selbst die kleinsten bisher bekannten Nanomotoren besitzen das 200-fache Ausmaß. Es sei das erste Mal, dass ein Konstrukt dieser Größe mit elektrischem Strom angetrieben werde, schreiben die Forscher im Fachmagazin "Nature Nanotechnology".

"Es gab bereits große Fortschritte bei der Konstruktion von molekularen Motoren, die durch Licht oder chemische Reaktionen angetrieben werden", sagt Studienleiter Charles Sykes von der Tufts University in Medford (US-Bundesstaat Massachusetts). "Wir haben jetzt gezeigt, dass man ein einzelnes Molekül auch mit elektrischem Strom dazu bringen kann, etwas nicht Zufälliges, Gerichtetes zu tun."

Der Nanomotor besteht aus einem asymmetrischen Molekül, das drehbar auf einer Kupferoberfläche aufsitzt. Mit Elektronen, die von der Spitze eines Rastertunnelmikroskops abgegeben wurden, sei es gelungen, die Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung des Moleküls gezielt zu beeinflussen.

Nach diesem Prinzip könnte in Zukunft eine ganz neue Klasse von Nanobauteilen entstehen, prognostizieren die Forscher. "Aus der Kopplung von molekularer Bewegung mit elektrischen Signalen könnte man Miniaturgetriebe in Nanoschaltkreisen konstruieren", sagt Sykes. Solche Nanozahnräder könnten beispielsweise in zukünftigen Handys eingesetzt werden. Auch winzige Rotationspumpen - beispielsweise in medizinischen Bauteilen - seien denkbar, glauben die Forscher.

Noch allerdings lässt sich der Nanomotor nur bei extrem niedrigen Temperaturen von etwa minus 260 Grad Celsius kontrollieren. Bei höheren Temperaturen drehe er sich zu schnell - das müsse man noch in den Griff bekommen.

Drehbare Ärmchen aus Kohlenwasserstoff

Grundlage des neuen Nanomotors ist ein Molekül aus Schwefel-, Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen, das sogenannte Butylmethylsulfid. Von einem zentralen Schwefelatom gehen dabei zwei unterschiedlich lange Ärmchen aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen aus. Als Forscher ein solches Molekül auf eine Kupferoberfläche setzten, verband sich das zentrale Schwefelatom mit dem Kupfer. Die Ärmchen blieben frei und rotierten um die Molekülmitte.

Diesen Aufbau plazierten die Wissenschaftler in einem Rastertunnelmikroskop. Bei diesem Mikroskop tastet eine ultrafeine Spitze die Oberfläche von Materialien mit Hilfe eines Elektronenstroms ab. Die Elektronen überspringen dabei den winzigen Abstand zwischen Spitze und Material.

Unter Vakuum und bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gelang es den Chemikern, das Molekül mit Hilfe dieses sogenannten Tunnelstroms zu beeinflussen. Statt ungeordnet in alle Richtungen zu drehen, habe nun vermehrt eine Rotation in nur noch eine Richtung stattgefunden, berichten die Forscher. Bei einem genau spiegelbildlich aufgebauten Molekül habe man statt der Richtung die Geschwindigkeit der Rotation durch den Tunnelstrom erhöhen können.

mbe/dapd

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