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Quantenphänomene am kleinsten Motor der Welt Molekulare Maschine läuft wie von selbst

Autor / Redakteur: Karin Weinmann* / Christian Lüttmann

Nur 16 Atome bilden die wohl kleinste Maschine der Welt. Der molekulare Motor von Forschern aus der Schweiz dreht sich dabei konsequent in eine Richtung – sogar, wenn die Antriebsenergie eigentlich schon gar nicht mehr ausreichen dürfte. Hier vermuten die Forscher neue Einblicke in Quanteneffekte zu finden, die das eigentümliche Verhalten der Miniaturmaschine erklären würden.

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Atomares Strukturmodel eines einzelnen 4-atomigen Acetylen-Rotors (grau-weiße Kugeln) auf der chiralen PdGa Oberfläche (blaue Kugel -> Palladium, rote Kugeln -> Gallium). Die 12 Atome des Stators auf der PdGa Oberfläche und die 4 Atome des Acetylen-Rotors sind hervorgehoben.
Atomares Strukturmodel eines einzelnen 4-atomigen Acetylen-Rotors (grau-weiße Kugeln) auf der chiralen PdGa Oberfläche (blaue Kugel -> Palladium, rote Kugeln -> Gallium). Die 12 Atome des Stators auf der PdGa Oberfläche und die 4 Atome des Acetylen-Rotors sind hervorgehoben.
(Bild: Empa)

Dübendorf/Schweiz – Der wohl kleinste Motor der Welt besteht aus nur 16 Atomen, entwickelt von Forschern der Empa und der Technischen Hochschule Lausanne (EPFL). „Damit sind wir nahe am absoluten Größenlimit für molekulare Motoren“, erklärt Oliver Gröning, Leiter der Forschungsgruppe für funktionelle Oberflächen an der Empa. Der Motor misst nicht einmal einen Nanometer.

Energiegewinnung im Nanobereich

Wie eine Maschine in der makroskopischen Welt, wandelt die molekulare Maschine der Schweizer Forscher Energie in eine gerichtete Bewegung um. Der aus 16 Atomen zusammengesetzte Motor besteht aus einem Stator und einem Rotor, also einem fixen und einem beweglichen Teil. Der Rotor dreht sich auf der Oberfläche des Stators. Er kann dabei sechs unterschiedliche Positionen einnehmen (siehe Bildergalerie). „Damit ein Motor tatsächlich nützliche Arbeit verrichten kann, ist zentral, dass der Stator dem Rotor erlaubt, sich nur in eine Richtung zu bewegen“, erklärt Gröning.

Bildergalerie

Da die Energie, die den Motor antreibt, aus einer zufälligen Richtung kommen kann, muss der Motor selbst die Drehrichtung vorgeben. Dies geschieht genau umgekehrt wie bei einer Ratsche in der makroskopischen Welt mit ihrem asymmetrisch gezackten Zahnrad: Während die Sperrklinke bei einer Ratsche die flache Kante hochfährt und in Richtung der steilen Kante sperrt, braucht die atomare Variante weniger Energie, um an der steilen Kante des Zahnrads hochzufahren, als an der flachen Kante. Die Bewegung in die ‚Sperrrichtung‘ ist daher bevorzugt und die Bewegung in ‚Laufrichtung‘ viel unwahrscheinlicher. Die Bewegung ist also praktisch nur in eine Richtung möglich.

Klare Drehrichtung vorgegeben

Dieses „umgekehrte“ Ratschenprinzip haben die Forscher in einer minimalen Variante umgesetzt, indem sie einen Stator mit einer dreieckigen Struktur aus je sechs Palladium- und Galliumatomen verwendeten. Der Kniff hierbei ist, dass diese Struktur zwar rotationssymmetrisch ist (120° Drehung), nicht aber spiegelsymmetrisch.

Als Resultat kann der aus nur vier Atomen bestehende Rotor (ein symmetrisches Acetylenmolekül) fortlaufend drehen, wobei allerdings die Rotation im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeiger unterschiedlich ablaufen müssen. „Der Motor weist deshalb eine Drehrichtungstreue von 99% auf, was ihn von anderen ähnlichen molekularen Motoren unterscheidet“, sagt Gröning. Damit öffnet der molekulare Motor einen Weg zur Energiegewinnung auf atomarer Ebene.

Wie sich der molekulare Motor dreht, zeigt die Animation in diesem Video der Empa:

Drehung, obwohl die Energie nicht reichen sollte

Der winzige Motor kann sowohl mit Wärmeenergie als auch mit elektrischer Energie betrieben werden. Dabei gilt: Je höher die zugeführte Energiemenge, desto höher die Bewegungsfrequenz – doch zugleich wird es umso wahrscheinlicher, dass sich der Rotor in eine zufällige Drehrichtung bewegt, da er mit zu viel Energie die Sperrklinke auch in der „falschen“ Richtung überwinden kann.

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Wärmeenergie sorgt dafür, dass die gerichtete Drehbewegung des Motors in Rotationen in zufällige Richtungen übergeht – bei Raumtemperatur etwa dreht sich der Rotor mit mehreren Millionen Umdrehungen pro Sekunde komplett zufällig hin und her. Dagegen kann elektrische Energie gerichtete Drehungen herbeiführen. Elektrische Energie lässt sich beispielsweise durch ein Elektronenrastermikroskop einführen, von dessen Spitze ein kleiner Strom in den Motoren fließt. Die Energie eines einzelnen Elektrons reicht dabei aus, um den Rotor gerade um eine Sechstelumdrehung weiterlaufen zu lassen.

Gemäß den Gesetzen der klassischen Physik gibt es allerdings eine Mindestenergiemenge, die notwendig ist, um den Rotor gegen den Widerstand der Ratsche überhaupt erst in Bewegung zu setzen. Reicht die zugeführte elektrische oder thermische Energie dafür nicht aus, müsste der der Rotor folglich stehenbleiben. Überraschenderweise beobachteten die Forscher aber auch unterhalb dieser Grenze – bei Temperaturen unter 17 Kelvin (-256° Celsius) bzw. einer angelegten Spannung von unter 30 Millivolt – eine unabhängig gleichbleibende Rotationsfrequenz in eine Richtung. Hier geht es von der klassischen Physik zu einem rätselhafteren Bereich über: der Quantenphysik.

Von der klassischen Physik zur Quantenwelt

Laut den Regeln der Quantenphysik können Teilchen „tunneln“ – das heißt, der Rotor kann die Ratsche auch dann noch überwinden, wenn seine Bewegungsenergie im klassischen Sinn nicht ausreicht. Diese Tunnelbewegung verläuft normalerweise ohne jeglichen Energieverlust. Theoretisch müssten also in diesem Bereich beide Drehrichtungen gleich wahrscheinlich sein.

Doch erstaunlicherweise dreht der Motor weiterhin mit 99%-iger Wahrscheinlichkeit in dieselbe Richtung. „Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie in einem abgeschlossenen System niemals abnehmen kann. In anderen Worten: Wenn beim Tunneln keine Energie verloren geht, müsste die Drehrichtung des Motors rein zufällig sein. Dass die Drehung des Motors nach wie vor fast ausschließlich in eine Richtung abläuft, deutet also darauf hin, dass auch bei der Tunnelbewegung ein Energieverlust stattfindet“, erläutert Gröning.

Eine Frage der Zeit

Diese Beobachtung ist eng verknüpft mit dem Phänomen bzw. der Wahrnehmung von Zeit. Wenn wir ein Video schauen, können wir meist klar sagen, ob die Zeit im Video vorwärts oder rückwärts läuft. Wenn wir etwa einem Tennisball zuschauen, der nach jedem Aufprall auf der Erde etwas höher springt, so wissen wir intuitiv, dass das Video rückwärts läuft. Denn die Erfahrung lehrt uns, dass der Ball mit jedem Aufprall etwas an Energie verliert und daher weniger hoch zurückspringen sollte.

Denkt man nun an ein ideales System, bei dem weder Energie zugefügt wird noch verloren geht, wird es unmöglich, festzustellen, in welche Richtung die Zeit läuft. So ein System könnte etwa ein „idealer“ Tennisball sein, der nach jedem Aufprall exakt gleich hoch zurückspringt. Es wäre also unmöglich, festzustellen, ob wir nun ein Video dieses idealen Balls vorwärts oder rückwärts schauen – beide Richtungen sind gleich plausibel. Bleibt die Energie in einem System erhalten, so können wir also die Richtung der Zeit nicht mehr feststellen.

Dieses Prinzip lässt sich aber auch umkehren: Beobachten wir in einem System einen Vorgang, der klarmacht, in welche Richtung die Zeit läuft, so muss das System Energie verlieren oder, präziser gesagt, Energie dissipieren – etwa durch Reibung.

Reibung bei Tunneleffekten?

Zurück zu unserem Mini-Motor: Üblicherweise geht man davon aus, dass beim Tunneln keine Reibung entsteht. Gleichzeitig wird dem System aber auch keine Energie zugeführt.

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Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass alle Prozesse, bei denen Reibung stattfindet, irreversibel sind. Und da im Grunde genommen überall im realen Leben Reibung eine mehr oder weniger große Rolle spielt, gilt dies für jeden Prozess. Die Folge daraus ist etwa, dass es keine sich selbst mit Energie versorgende und damit endlos weiterlaufende Maschine gibt – also ein so genanntes Perpetuum Mobile.

Wie kann es also sein, dass der Rotor immer in dieselbe Richtung weiterdreht? Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik lässt keine Ausnahmen zu – die einzige Erklärung ist also, dass beim Tunneln ein Energieverlust, wenn auch ein extrem kleiner, stattfindet. Gröning und sein Team haben also nicht nur ein Spielzeug für Molekularbastler entwickelt. „Der Motor könnte es uns ermöglichen, die Vorgänge und Gründe von Energiedissipation bei Quantentunnelvorgängen zu untersuchen“, sagt der Empa-Forscher.

Originalpublikation: S Stolz, O Gröning, J Prinz, H Brune, R Widmer: Molecular motor crossing the frontier of classical to quantum tunneling motion, Proceedings of the National Academy of Sciences (2020); DOI: 10.1073/pnas.1918654117

* K. Weinmann, Empa Eidgenössische Material- Prüfungs- und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz

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