Maschinenbau auf Molekülebene Künstliche Muskeln und lichtgesteuerte Materialien als Ziel

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Was Ingenieure in großen Hallen zusammenschrauben, will ein Forscher im Mikrokosmos erreichen: Molekulare Maschinen, die etwa für lichtgesteuerte Bewegungen und neue, intelligente Materialien eingesetzt werden können. Ein kleiner Blick in die visionäre Welt der Molekülchemie.

Robotermuskeln, die sich nach einem Lichtpuls zusammenziehen – Prof. Dr. Henry Dube von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) möchte in den kommenden vier Jahren Materialien für neue Anwendungen entwickeln. Ihre Basis bilden winzige molekulare Maschinen, die jeweils nur aus einigen Dutzend Atomen bestehen. Der Chemiker möchte verschiedene Arten von ihnen zu dreidimensionalen Geweben verknüpfen, die je nach Art und Anordnung der Bausteine unterschiedliche Funktionen ermöglichen.

Vorbilder aus der Natur

Diese Idee ist nicht so exotisch, wie sie klingt: In sämtlichen Lebewesen werkeln zahllose molekulare Maschinen, die jeweils auf bestimmte Aufgaben spezialisiert sind. So bestehen Muskeln aus Proteinen, die sich durch klimmzugartige Bewegungen aneinander entlang hangeln, wodurch sich der Muskel verkürzt. „Wir entwickeln schon seit einiger Zeit Moleküle, die prinzipiell ähnliche Funktionen erlauben“, erklärt der Wissenschaftler, der seit 2020 an der FAU den Lehrstuhl für Organische Chemie I leitet. „Sie sind allerdings in der Regel ganz anders aufgebaut als ihre natürlichen Vorbilder und zudem deutlich kleiner.“

Dazu zählen beispielsweise winzige Zahnräder, die nur aus einigen Dutzend Atomen bestehen und sich zu Getrieben hintereinander gruppieren lassen. Auch Nano-Motoren oder Pinzetten, die kleinste Gegenstände greifen können, hat Dube bereits gebaut. In dem Projekt, das von der Volkswagen-Stiftung mit mehr als 900.000 Euro gefördert wird, möchte er nun einen Schritt weiter gehen.

In einem Muskel sind zahllose „Klimmzug-Moleküle“ hintereinander geschaltet. Zusätzlich werden sie hunderttausendfach gebündelt, damit sie zusammen ausreichend Kraft entfalten können. „Wir wollen ebenfalls dreidimensionale Gewebe herstellen, in denen wir zahlreiche molekulare Maschinen nach definierten Regeln miteinander verknüpfen“, sagt der Chemiker. „Je nachdem, welche verschiedenen Arten von Bausteinen wir in diesen Polymeren kombinieren, entstehen so intelligente Materialien für die unterschiedlichsten Anwendungen.“

Beispiel für einen molekularen Motor (Gif: FAU/Henry Dube)

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Materialien, deren Eigenschaften sich mit Licht programmieren lassen

Auf diese Weise sollte es zum Beispiel möglich sein, künstliche Muskeln für Roboter herzustellen. Anders als ihre natürlichen Pendants sollen sie nicht durch Spannungspulse gesteuert werden, sondern durch Licht. „Viele der Nanomaschinen, die wir verwenden, ändern unter Lichteinstrahlung ihre Gestalt“, sagt Dube. „Dadurch können wir beispielsweise Bewegungen auslösen.“ Oft führt diese Gestaltsänderung auch dazu, dass sie eine andere Farbe annehmen. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise würfelartige Bildschirme herstellen, in die sich dreidimensionale Bilder schreiben lassen. Diese lassen sich aus allen Richtungen betrachten und zudem – anders als bei Lasergravuren in Glas – auch wieder problemlos löschen.

„Wir planen zudem, Materialien herzustellen, deren Eigenschaften sich programmieren lassen“, erklärt der Chemiker. „Bei blauem Licht könnten sie zum Beispiel fest werden, bei rotem Licht dagegen elastisch.“ Man könnte sogar einen Greifarm konstruieren, der nur für kurze Zeit und an einer definierten Stelle elastisch wird und sich dort biegen lässt.

Wissenschaftliches Neuland

Dube betritt mit seinem Vorhaben Neuland. Die Volkswagen-Stiftung fördert es im Rahmen ihres Momentum-Programms. Dieses richtet sich an Wissenschaftler, die erst vor kurzem eine Professur angetreten haben und die ihre Expertise auf ein neues Gebiet ausweiten möchten. „Als organische Chemiker arbeiten wir normalerweise mit Einzelmolekülen“, sagt der Forscher. „Mit unseren Ideen stoßen wir dagegen in die Materialwissenschaften vor – ein Feld, das eine ganz andere Expertise erfordert.“ Er wird daher aus den Mitteln der Stiftung unter anderem Postdoktoranden finanzieren, die genau auf diesem Gebiet das nötige Know-how mitbringen. „Ich bin absolut optimistisch, dass wir unsere Ideen auf diese Weise erfolgreich umsetzen können.“

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