Archimedische Schraube aus einem einzigen Molekül
Ein internationales Physikerteam hat erstmals eine molekulare „Maschine“ nach dem Prinzip der archimedischen Schraube entwickelt. Das schraubenförmige Molekül wird dabei durch elektrischen Strom in Rotation versetzt. Erreicht die Rotation eine bestimmte Geschwindigkeit, steigt der Stromfluss sprunghaft um bis zum Hundertfachen an. Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Fabian Pauly an der Universität Augsburg lieferte mit quantenmechanischen Computersimulationen die Erklärung für die beobachteten Effekte. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
Molekulare Maschinen gelten als nächster Schritt der Miniaturisierung. Vorbilder finden sich in lebenden Zellen, wo molekulare Motoren Energie umwandeln und Bewegung erzeugen. Seit Jahrzehnten arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, solche Systeme künstlich nachzubauen. Für diese Forschung wurde 2016 der Nobelpreis für Chemie vergeben.
Vorbild aus der Antike
Molekulare Motoren, die direkt von elektrischem Strom angetrieben werden, gibt es seit 2011. Bislang funktionierten sie allerdings nur als Moleküle auf einer Oberfläche, die von der Spitze eines Rastertunnelmikroskops angetrieben werden.
Für ihre neue Maschine ließen sich die Forschenden von einer der ältesten dokumentierten Maschinen der Menschheit inspirieren, der archimedischen Schraube, die Wasser bergauf befördert. Die Forschenden übertrugen das Prinzip der archimedischen Schraube auf die Molekülebene. Statt Wasser fließen Elektronen durch eine schraubenförmige Struktur und versetzen sie in Drehung.
Eine molekulare Schraube zwischen zwei Goldspitzen
Herzstück der Maschine ist ein schraubenförmiges Helicen-Molekül, das im Team von Prof. Michael Pittelkow an der Universität Kopenhagen eigens für die Studie hergestellt wurde. Das nur wenige millionstel Millimeter große Molekül kann über Schwefelatome an Goldoberflächen gebunden werden. Am Weizmann Institute of Science in Israel spannte das Team um Prof. Oren Tal und Dr. Anil Kumar Singh einzelne Moleküle zwischen zwei atomar feine Goldspitzen. Durch gezieltes Verändern des Abstands der Elektroden konnten die Forschenden die molekulare Schraube strecken oder stauchen.
Erster Molekularmotor mit steuerbarer Drehrichtung
Messungen zeigten dann, dass sich das Molekül unter Spannung dreht. Die Drehrichtung war eindeutig und ließ sich durch Umpolen der Spannung umkehren. Damit demonstriert die Studie erstmals einen stromgetriebenen molekularen Motor mit steuerbarer Drehrichtung, der fest mit zwei Metallelektroden verbunden ist.
Angetrieben wird die Bewegung dabei von den Elektronen selbst. Wenn sie durch das schraubenförmige Molekül fließen, übertragen sie Drehimpuls auf das Molekül, ähnlich wie der Wind ein Windrad antreibt. Die Richtung gibt dabei die Windung des Moleküls vor, so wie bei einer Schraube mit Rechts- oder Linksgewinde. Ab einer bestimmten Spannung geht diese Bewegung in eine kontinuierliche Rotation über.
Augsburger Rechnungen entschlüsseln den Mechanismus
Warum aber leitet ein rotierendes Molekül den Strom deutlich besser als ein ruhendes? Dieser Frage gingen Prof. Dr. Fabian Pauly und seine Doktoranden Léon Martin und Yuta Ito am Lehrstuhl für Theoretische Physik I der Universität Augsburg mit quantenmechanischen Simulationen auf dem Hochleistungsrechner LiCCA nach. Ihre Berechnungen zeigten, dass die Rotation des Moleküls eng mit seiner Leitfähigkeit verknüpft ist. Die Leitfähigkeit hängt stark vom Drehwinkel des Moleküls ab und kann während der Rotation um bis zu zwei Größenordnungen zunehmen.
„Das Überraschende ist: Gerade die Stellungen, die das Molekül in Ruhe meidet, leiten den Strom am besten. Erst die Drehung macht diese Positionen zugänglich“, erklärt Léon Martin.
Internationale Zusammenarbeit für Forschungserfolg
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen entwickelten die Theoriepartner Per Hedegård vom Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen und Jing-Tao Lü von der Huazhong University of Science and Technology in Wuhan ein vereinfachtes Modell, das die experimentell beobachtete Rotation und den Stromanstieg erfolgreich reproduzierte.
„Im Experiment sieht man nur den Strom. Unsere Rechnungen erlauben einen Blick auf das, was dabei im Inneren des Nanokontakts geschieht. Erst im engen Zusammenspiel von Experiment und Theorie über mehrere Länder hinweg ließ sich das Rätsel des Stromanstiegs lösen“, sagt der aus Japan stammende Doktorand Yuta Ito.
Bedeutung für künftige Anwendungen
Die Entdeckung birgt Potenzial für molekulare elektronische Bauelemente, Anwendungen in der Spintronik sowie für mikrofluidische Systeme. Zudem bieten solche Miniatur-Maschinen neue Möglichkeiten zur Erforschung physikalischer Prozesse auf atomarer Skala. „Wir haben gezeigt, dass sich mit Strom eine gerichtete Drehung erzeugen lässt und dass diese Drehung ihrerseits den Strom steuert. Das ist ein neues Funktionsprinzip für Maschinen an der äußersten Grenze der Miniaturisierung“, erklärt Pauly.
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