Nano-Getriebe: Das kleinste Zahnradgetriebe der Welt steuert molekulare Bewegungen

Bauteile und Maschinen in Nano-Größe gibt es schon eine ganze Weile – für die Entwicklung molekularer Maschinen wurde 2016 sogar der Chemie-Nobelpreis verliehen. Die kleinen Nanomaschinen werden in der Regel aus chemischen Molekülen zusammengesetzt, die dem gewünschten Zweck entsprechen. Forscher:innen aus Deutschland haben nun das kleinste aktive Zahnradgetriebe der Welt konstruiert. Es ist weniger als zwei Nanometer groß und besteht aus 71 Atomen. Seine Bewegung kann gezielt durch den Einsatz von Licht gesteuert werden.

Molekulare Zahnräder

Molekulare Entsprechungen von Zahnrädern gibt es schon eine ganze Weile. Allerdings sind solche molekulare Zahnräder und Getriebe nur sehr schwer zu kontrollieren. „Anders als in der makroskopischen Welt spielen Reibung und Trägheit in der molekularen Welt keine wichtige Rolle. Als Folge ist ein Durchrutschen eher die Regel als die Ausnahme und verhindert selbst bei hochgradig vernetzten molekularen Systemen eine echte Getriebeschaltung„, erklären die Forscher:innen rund um Aaron Gerwien von der Universität München.

Außerdem entsteht bei der Schwingung von Molekülen Wärmeenergie, die kontrollierte Bewegungen zusätzlich erschwert. Daher bewegen sich die meisten Nanozahnräder nur passiv und zufällig. Damit sind sie für den Einsatz in molekularen Maschinen nur bedingt geeignet.

Getriebe aus zwei Molekülen

Das Nano-Getriebe, das Gerwien und seine Kolleg:innen entwickelt haben, setzt hier neue Maßstäbe. Das winzige Zahnrad samt entsprechendem Gegenstück kann auch aktive gesteuert und angetrieben werden, sodass es nicht nur die Bewegung zwischen zwei räumlich gekippten Bauteilen ermöglicht, sondern dies auch in einer kontrollierten 2:3-Übersetzung tut.

Bei dem Getriebe handelt es sich um zwei miteinander verzahnten Molekülen, die gemeinsam 71 Atome umfassen. Ein Triptycen-Molekül bildet dabei das Zahnrad. Es handelt sich um eine organische Verbindung aus mehreren Ringen, die ähnlich wie ein Schaufelrad oder ein Zahnrad mit drei Zähnen aussieht. Ein um 120 Grad gegen das Zahnrad gedrehte Thioindigo-Molekül fungiert als Gegenstück.

Antrieb durch Licht

Das Nano-Getriebe kann durch den Einsatz von Licht gezielt angetrieben und gesteuert werden. Wenn die Einheit mit blauem Licht bestrahlt wird, bewegen die beiden Bestandteile sich gekooppelt gegeneinander. Damit ist es dem Team erstmals gelungen, ein molekulares Getriebe gezielt anzutreiben.

„ Eine solche Kontrolle im kleinsten Maßstab ist von großem Wert für alle, die geordnete Bewegungen für die Funktion von chemischen Nanosystemen benötigen. Unsere Studie eröffnet eine Vielzahl von neuen Möglichkeiten und Designkonzepten für die Entwicklung vollintegrierter Nano-Maschinen„, so die Forscher:innen.

via FAU