Worldwide China

Smart Materials

Molekulare Motoren – Auf dem Weg zu smarten Nanomaschinen

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Abb. 1: V.l.n.r: Ludwig Huber, Kerstin Hoffmann, Stefan Thumser und Dr. Henry Dube vom Department Chemie der LMU
Bildergalerie: 1 Bild
Abb. 1: V.l.n.r: Ludwig Huber, Kerstin Hoffmann, Stefan Thumser und Dr. Henry Dube vom Department Chemie der LMU (Bild: LMU München)

LMU-Chemiker haben eine neue Synthese entwickelt, um die Drehung eines molekularen Motors zu verlangsamen und so seinen Mechanismus genau analysieren zu können. So wird er interessant für Anwendungen in der Katalyse oder die Entwicklung von „smart materials“. Das Gespräch führte LP-Chefredakteur Marc Platthaus.

LP: Herr Dr. Dube, „molekulare Motoren“ – das klingt kompliziert. Was genau muss ich mir unter einem solchen Motor vorstellen und wie wird er angetrieben?

Dr. Henry Dube: Diese Moleküle sind in der Lage, Licht direkt zu nutzen, um eine gerichtete Drehbewegung zu erzeugen. Eine direkt vergleichbare Analogie in der makroskopischen Welt gibt es nicht. Hier ist es immer notwendig, das Licht in eine speicherbare Energieform umzuwandeln, bevor diese wiederum zur Erzeugung einer gerichteten Bewegung verwendet werden kann. Sozusagen ist dieses Molekül Solarzelle und Motor in Einem. Bei der Entwicklung dieser neuen Motorenklasse war es uns ein Anliegen, energiearmes Licht verwenden zu können, da hochenergetische UV-Strahlung in sensiblen Umgebungen große Schäden verursachen kann.

LP: Welche Herausforderungen bestehen bei der Entwicklung solcher Motoren?

Dr. Dube: Bei der Entwicklung von Maschinen auf molekularer Ebene treten Herausforderungen zutage, die bei Maschinen in der makroskopischen Welt kaum eine Rolle spielen. Schwerkraft oder Trägheit werden vernachlässigbar. Dafür treten andere Phänomene in Erscheinung. Die Brownsche Molekularbewegung sorgt dafür, dass im Nanometer-Bereich eine Art Schneesturm vorliegt, in dem sich die Moleküle ungerichtet drehen, durcheinander bewegen und sich gegenseitig stoßen. In einer solchen Umgebung gibt es keine ruhigen Zonen, sondern nur ständige Bewegung, in der eine Maschine versuchen muss Arbeit zu leisten.

LP: Welches Modellmoleküle haben Sie für Ihre Untersuchungen gewählt und welche Vorteie haben diese?

Ergänzendes zum Thema
 
Zur Person – Dr. Henry Dube

Dr. Dube: Es ist aus den eben erwähnten Gründen wichtig, Moleküle zu verwenden, die eine starre Struktur aufweisen und nur wenig Möglichkeit besitzen, sich zu bewegen. Ein einziges bewegliches Element, die zentrale Drehachse verbleibt im Molekül. Dabei handelt es sich um eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung. Die Besonderheit dieser Achse ist, dass die Drehung nicht von alleine auftritt, sondern gezielt durch Licht angeregt werden muss. Die Richtung dieser Bewegung wird gesteuert, indem das Molekül eine inhärente Asymmetrie aufweist, die die lichtinduzierte 360°-Drehung nur in eine Richtung erlaubt. Dabei findet die Gesamtrotation in vier Einzelschritten statt: zwei lichtinduzierte Drehungen wechseln sich dabei jeweils mit zwei thermischen Einrastschritten ab. Letztere verhindern ähnlich wie bei einer Ratsche ein Zurückdrehen während der Bewegung. Dieses Grundprinzip eines molekularen Motors wurde erstmals 1999 von Ben L. Feringa veröffentlicht. Allerdings war der erste molekulare Motor extrem langsam und musste aktiv geheizt werden, um eine vollständige Rotation zu erzielen. Für viele Anwendungen ist diese langsame Drehung nicht geeignet. Allerdings war es für die genaue Untersuchung des Moleküls ein wahrer Glücksfall. Erst vergangenes Jahr wurde Ben Feringa für seine bahnbrechende Forschung auf diesem Gebiet mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt.

LP: Sie haben eine neue Synthese entwickelt, um diese Drehung des molekularen Motors zu verlangsamen. Wie kann man sich das vorstellen?

Dr. Dube: Unser erstes Motormolekül war im Gegensatz zu Feringas Molekül extrem schnell. Es rotierte im kHz-Bereich bei Raumtemperatur. Das hat uns vor ein ziemlich großes Problem bei der Analyse gestellt. Die zeitliche Auflösung der benötigten hochauflösenden spektroskopischen Methoden war nicht ausreichend, um den kompletten Rotationszyklus direkt zu beweisen. Deshalb haben wir uns dazu entschieden, neue Moleküle zu synthetisieren, die langsamer drehen und es somit einfacher wird, den Drehmechanismus nachzuweisen. Ich habe vorher schon angesprochen, dass die Kohlenstoffdoppelbindung die Drehachse des Moleküls bildet. Wir können die Bewegung verlangsamen, indem wir die Drehung um diese Achse rein mechanisch erschweren. Wir platzieren große Reste in unmittelbarer Umgebung dieser Achse. Wenn also eine Drehung erfolgt, müssen diese großen Reste ebenfalls gegeneinander bewegt und aneinander vorbeigeschoben werden. Dies erzeugt sozusagen eine größere Reibung und verlangsamt den Prozess.

LP: Für welche Anwendungsfelder werden Ihre Ergebnisse von Nutzen sein?

Dr. Dube: Für unsere Forschung war es wichtig, die komplette Drehbewegung zu beweisen. Nun arbeiten wir daran, die Motoren in einem größeren Kontext zu verwenden. Die Natur liefert hierzu ausreichend Ideen. Natürliche Motoren in Zellen sind beispielsweise in der Lage, Konzentrationsgradienten aufzubauen und können diese wiederum nutzen, um Energie chemisch zu speichern. Sie sind in der Lage, Polymere zu synthetisieren und erledigen die komplexe Logistik und den Transport innerhalb einer Zelle. Nach diesen Vorbildern versuchen wir, unsere Moleküle weiterzuentwickeln.

Vielen Dank für das Gespräch.

Literatur:

[1] Huber, L. A.; Hoffmann, K.; Thumser, S.; Böcher, N.; Mayer, P.; Dube, H. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 14536.

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Der Kommentar wird durch einen Redakteur geprüft und in Kürze freigeschaltet.

  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45005379 / Bio- & Pharmaanalytik)