Neuer Mechanismus für rotierende Nanomotoren

Manchester (Großbritannien) - Winzige, molekulare Maschinen arbeiten in vielen biologischen Prozessen wie etwa beim Stoffwechsel in den Zellen. Künstliche Motoren aus einzelnen Molekülen haben das Potenzial, in Zukunft als Nanomotoren in winzigen technischen, chemischen oder medizinischen Abläufen eingesetzt zu werden. Auf dem noch langen Weg, künstliche Nanomotoren produzieren und vor allem kontrollieren zu können, gelang nun einer britischen Arbeitsgruppe ein wichtiger Schritt. Sie entwickelten einen Molekülmotor, der wie ein Verbrennungsmotor von einer einzigen Chemikalie angetrieben wurde. Lag diese Substanz, quasi der Treibstoff für den Molekülmotor, nicht mehr vor, stoppte die Bewegung. Über diese neue Kontrollmöglichkeit von Molekülmotoren berichten sie in der Fachzeitschrift „Nature“.

„Bisher entwickelte molekulare Motoren benötigten die Zugabe von mehreren Reagenzien und einige chemische Zwischenschritte“, sagt David Leigh von der University of Manchester. Der neue Nanomotor, den er zusammen mit seinen Kollegen entwickelte, brauchte dagegen nur eine einzige Chemikalie als Treibstoff. Lag diese in ausreichender Menge vor, setzte eine kontinuierliche Rotationsbewegung im Uhrzeigersinn ein. Diese Bewegung stoppte, sobald die Treibstoff-Substanz verbraucht war.

Aufgebaut war der Motor aus einem ringförmigen Makromolekül, Catenan genannt. Um diesen Ring konnte sich das eigentliche, ebenfalls ringförmige Motormolekül aus Benzylamid bewegen. Um eine gerichtete Rotation des Benzylamid-Rings um den Catenan-Ring zu erhalten, war das regelmäßige Andocken und Ablösen der Treibstoff-Chemikalie – 9-Fluorenylmethoxycarbonyl, kurz Fmoc – nötig. Diese Fmoc-Moleküle reagierten mit dem Catenan-Ring. Bei der Reaktion wurde Energie freigesetzt, die zur Bewegung des Benzylamid-Rings im Uhrzeigersinn führte. Wiederholtes Andocken und Ablösen der Fmoc-Moleküle ermöglichte eine langsame Rotation des Benzylamid-Rings. Ging der Treibstoff, der als Fmoc-Chlorid-Verbindung vorlag, zur Neige, stoppte auch die Rotationsbewegung.

In diesem Grundlagenexperiment dauerte eine vollständige 360°-Umrundung allerdings noch etwa zwölf Stunden. So kontrolliert die Bewegung auch gewesen sein mag, ist dies für eine sinnvolle Anwendung als Nanomotor viel zu langsam. Dessen sind sich auch Leigh und Kollegen bewusst. „Aber auch das allererste Auto von Carl Benz fuhr 1885 gerade mal Schrittgeschwindigkeit“, sagt Leigh. So hofft er, über die Variation weiterer Parameter wie Temperatur oder Fmoc-Konzentration die Rotationsbewegung beschleunigen zu können.