Chemie-Nobelpreis 2016

Molekulare Maschinen

30.10.2016 Es ist Miniaturisierung par Excellence: Maschinen, deren Räder und Wellen aus einzelnen Molekülen bestehen. Das so etwas tatsächlich möglich ist, beweisen zum Beispiel die hochkomplexen rotierenden Geißeln mancher Bakterien.

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Molekulare Maschinen

Bild: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.

Doch lassen sich solche molekularen Maschinen auch von Menschen bauen? Oder vielmehr, chemisch synthetisieren?

Vieles spricht dafür, wenn man sich die Pionierleistungen in diesen Bereich der Chemie anschaut. Die verantwortlichen Pioniere erhielten den Nobelpreis für Chemie 2016: der Franzose Jean-Pierre Sauvage, der Brite Fraser Stoddart und der Niederländer Bernard Feringa.

Vom Chaos zur gesteuerten Bewegung

Den Anfang der Maschinen-Molekularforschung machte Sauvage, als er ringförmige Moleküle wie Kettenglieder miteinander verschränkt synthetisierte. Diese sogenannten Katenane stellten einen entscheidenden Fortschritt dar: Anstatt einer chemischen kovalenten Bindung sind die einzelnen Ringmoleküle darin mechanisch miteinander verbunden. Und noch wichtiger: Diese Bindung ist beweglich, eine entscheidende Voraussetzung für Maschinen mit beweglichen Teilen. Sauvage und Kollegen gelang es ebenfalls, einen der Ringe in der Kette kontrolliert rotieren zu lassen.

Den nächsten Schritt auf dem Weg zur molekularen Maschine vollzog Stoddart, als er einen molekularen Ring auf eine Art molekularer Achse fädelte und dort fixierte. Diese sogenannte Rotaxane waren die ersten einfachen molekularen Shuttles: Bei Energiezufuhr sprang der Ring von einem Punkt entlang der Achse auf eine andere Position und zurück. Mit verschränkten Molekülen dieser Bauart konstruierten Stoddard und seine Kollegen einen Nano-Fahrstuhl, eine Art molekularer Muskeln und einen Molekül-Computerchip. Angesichts der Größenlimits elektronischer Chips gelten die um ein Vielfaches kleineren molekularen Chips als eine mögliche Zukunft der Computertechnik.

Feringa schließlich baute den ersten echten molekularen Motor, und damit auch das erste molekulare Auto: Dessen Räder waren nicht den üblicherweise zufälligen Molekülbewegungen unterworfen, sondern konnten sich nur in eine Richtung drehen. Das winzige Gefährt hatte dadurch zwar keinen Rückwärtsgang, aber Allradantrieb mit einem molekularen Motor an jedem Rad.

Allen gemeinsam ist der entscheidende Fortschritt der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Forschung: Von chaotischen Molekülbewegungen zur kontrollierten gerichteten Bewegung. Das Nobelkomitee vergleicht den Entwicklungsstand molekularer Maschinen mit dem Stand der Technik eines Elektromotors von 1830: Anhand der sich damals drehenden Räder konnte noch niemand die Entwicklung elektrischer Eisenbahnen, Waschmaschinen oder Ventilatoren erahnen, doch aus dem heutigen Leben sind sie kaum wegzudenken. Genauso könnten molekulare Maschinen in einigen Jahren die unverzichtbare Grundlage von neuen Materialien, Sensoren und Energiespeichern sein.[ak]

Heftausgabe: November 2016
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