Forschende entwickeln molekulare Maschine als Archimedische Schraube

Ein internationales Physikerteam hat erstmals eine molekulare Maschine nach dem Prinzip der Archimedischen Schraube entwickelt. Durch einen angelegten elektrischen Strom wird ein spiralförmiges Molekül in eine kontrollierte Rotation versetzt. Ab einer bestimmten Spannungsschwelle steigt die Leitfähigkeit der Anordnung abrupt auf das Hundertfache an.

Das Prinzip der Archimedischen Schraube transportiert seit über zweitausend Jahren Wasser nach oben. Nun haben Forschende diese Mechanik auf den Nanometerbereich übertragen. Wie Nanowerk berichtete, gelang es einem internationalen Physikerteam, eine molekulare Maschine zu konstruieren, deren rotierender Teil direkt von Elektronen angetrieben wird. Im Zentrum der im Fachjournal Nature publizierten Entwicklung steht ein winziges, schraubenförmiges Molekül, das zwischen zwei feinen Elektroden aufgehängt ist.

Vom antiken Prinzip zum molekularen Schraubantrieb

Die Umsetzung greift auf Strukturen zurück, die sowohl in der Antike als auch in der Natur in biologischen Zellen vorkommen. Wissenschaftler arbeiten seit Jahrzehnten daran, molekulare Motoren künstlich nachzubauen, wofür im Jahr 2016 der Nobelpreis für Chemie verliehen wurde. Während bisherige, seit 2011 bekannte molekulare Motoren als Gebilde auf Metalloberflächen mittels der Spitze eines Rastertunnelmikroskops bewegt werden mussten, ist das neue System fest mit zwei Elektroden verankert.

Das für das Experiment eingesetzte Molekül wurde von der Arbeitsgruppe um Michael Pittelkow an der Universität Kopenhagen synthetisiert. Am Weizmann Institute of Science spannten die Forschenden um Oren Tal und Anil Kumar Singh einzelne Moleküle zwischen zwei atomar feinen Goldspitzen ein. Über Schwefelatome ist das Molekül an die Goldoberflächen gebunden, wobei die Forschenden den Abstand zwischen den Kontakten präzise anpassen und die molekulare Schraube dadurch dehnen oder stauchen konnten.

Gesteuerte Rotation durch Elektronenstrom

Sobald eine elektrische Spannung anliegt, zeigt das Molekül eine Drehbewegung mit 100% Richtungspräferenz. Die Richtung der Rotation hängt dabei von der Ausrichtung des molekularen Gewindes ab und lässt sich durch die Polarität der Spannung umkehren. Fliessen die Elektronen durch die schraubenförmige Struktur, übertragen sie Drehimpuls auf das Molekül – vergleichbar mit dem Wind, der eine Windkraftanlage antreibt.

Wir haben gezeigt, dass ein elektrischer Strom genutzt werden kann, um eine gerichtete Rotation zu erzeugen, und dass diese Rotation, in turn, controls the current. Dies ist ein neues Funktionsprinzip für Maschinen an den äußersten Grenzen der Miniaturisierung.

Übersteigt die Spannung einen bestimmten Schwellenwert, wandelt sich die Bewegung in eine kontinuierliche Rotation um. Das Experiment belegt laut Nature einen stromgetriebenen molekularen Motor mit perfekter Rotor-Unidirektionalität, der fest zwischen zwei Metallkontakten sitzt.

Quantenmechanische Simulationen auf dem Augsburger Supercomputer

Die genauen Ursachen für den sprunghaften Anstieg des elektrischen Stroms untersuchte das Team um Fabian Pauly am Lehrstuhl für Theoretische Physik I der Universität Augsburg. Mithilfe von Quantenmechanischen Rechnungen auf dem Supercomputer LiCCA analysierten die Doktoranden Léon Martin und Yuta Ito das Innere des Nanokontakts.

Das Überraschende ist, dass es genau die Positionen sind, die das Molekül in Ruhe meidet, die den Strom am besten leiten. Erst die Rotation macht diese Positionen zugänglich.

Die Leitfähigkeit hängt demnach stark vom Rotationswinkel ab und springt während der Drehung um bis zu zwei Größenordnungen nach oben. Zur Untermauerung dieser Ergebnisse entwickelten die theoretischen Partner Per Hedegård vom Niels Bohr Institute in Kopenhagen und Jing-Tao Lü von der Huazhong University of Science and Technology in Wuhan ein vereinfachtes Modell. Dieses bildete die experimentell beobachteten Phänomene erfolgreich ab.

Im Experiment sieht man nur den Strom. Unsere Rechnungen erlauben einen Einblick in das, was im Inneren des Nanokontakts vorgeht. Erst durch die enge Zusammenarbeit von Experiment und Theorie über mehrere Länder hinweg konnte das Rätsel des Stromanstiegs gelöst werden.

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