Eine Million Umdrehungen pro Minute: US-Forscher haben erstmals ein Nano-U-Boot konstruiert, das sich mit erstaunlich hoher Geschwindigkeit durch Flüssigkeiten bewegen kann. Angetrieben von molekularen Propellern erreicht das Gefährt immerhin ein Tempo von zwei Zentimetern pro Sekunde. Die Energie dafür liefert UV-Licht. Noch kann das aus 244 Atomen bestehende Molekül-Konstrukt keine Fracht transportieren, aber der Prototyp beweist, dass diese Nano-U-Boote „seetüchtig“ sind, wie die Forscher im Fachmagazin „Nano Letters“ berichten.
Maschinen im Molekülmaßstab haben Konjunktur: Allein in den letzten Jahren haben Forscher bereits den schnellsten Nanorotor der Welt konstruiert, den kleinsten Elektromotor aus nur einem Molekül sowie ein molekulares Nano-Auto entwickelt. Viele dieser Nanomaschinen bestehen aus extrem miniaturisierten Metallbauteilen, andere wurden aus organischen Molekülen zusammengesetzt.
U-Boot aus 244 Atomen
Victor Garcia-Lopez von der Rice University und seine Kollegen haben nun dem Spektrum der Nanomaschinen eine neue Variante hinzugefügt: ein U-Boot im Nanomaßstab. Das Minigefährt ist weniger als zehn Nanometer groß und besteht aus einem Verbund von organischen Molekülbausteinen, die in einer grob zweiflügeligen Form miteinander verknüpft sind.
Am Vorderende des insgesamt 244 Atome umfassenden Konstrukts sitzt ein Molekülteil, der bei Bestrahlung mit Laserlicht rot aufleuchtet – das ermöglicht es den Forschern, die Fahrt ihres Nano-U-Boots in einer Flüssigkeit zu verfolgen. „Das war eine der Herausforderungen bei der Konstruktion: Die Motoren mit Leuchteinheiten auszurüsten, ohne die schnelle Rotation der Rotoren zu stören“, erklärt Garcia-Lopez.
Eine Million Umdrehungen pro Minute
Angetrieben wird das Nano-U-Boot von mehreren schwanzähnlichen Molekülanhängen. Werden diese Minirotoren von UV-Licht angestrahlt, wandelt sich die Doppelbindung, die diesen Anhang am Rest des Motors hält, in eine einfache Bindung um und dreht den Rotor damit um 90 Grad. Weil der Motor nun aber versucht, in einen energetisch günstigeren Zustand zurückzukehren, wechselt die Bindung nun zu einem Nachbaratom und der Propeller dreht sich dadurch noch ein Stück weiter. Nun gibt es wieder eine Doppelbindung, die aufgelöst werden kann und das Ganze geht von vorne los.
Der Rotor des Nano-U-Boots erreicht durch diesen chemischen Trick immerhin mehr als eine Million Umdrehungen pro Minute. Mit jeder Drehung schieben die winzigen Propeller das Gefährt um 18 Nanometer vorwärts. Pro Sekunde erreicht das U-Boot damit immerhin ein Tempo von rund zwei Zentimetern pro Sekunde. „Damit sind sie die schnellsten Moleküle, die man je in einer Lösung gesehen hat“, sagt Koautor James Tour von der Rice University.
Dickicht von wackelnden Hindernissen
Ein solches Tempo im Nanomaßstab zu erreichen, ist alles andere als simpel. Denn das Mini-U-Boot muss sich in der Flüssigkeit durch ein Dickicht von Molekülen kämpfen, die fast so groß sind wie es selbst. Zu allem Überfluss halten auch diese Moleküle nicht still, sondern bewegen sich durch die Brownsche Molekularbewegung chaotisch hin und her. „Das ist so ähnlich, als wenn ein Mensch über ein Basketball-Feld läuft und dabei von tausend weiteren Leuten ständig mit Basketbällen beworfen wird“, erklärt Tour.
Noch kann das Nano-U-Boot keine Fracht aufnehmen, es dient nur der Demonstration des Antriebs. Die Forscher hoffen aber, dass künftige Varianten ihres Gefährts medizinische Wirkstoffe und andere Moleküle transportieren können. „Dies ist erst der erste Schritt, wir haben damit das Funktionieren des Konzepts bewiesen“, sagt Garcia-Lopez. „Jetzt müssen wir die potenziellen Anwendungen erkunden.“ (Nano Letters, 2015; doi: 10.1021/acs.nanolett.5b03764)
(Rice University, 17.11.2015 – NPO)
