Pulsierende Nanospiralen

Seoul (Korea) - Fast alle Substanzen dehnen sich bei Wärme aus und schrumpfen bei Kälte. Genau umgekehrt verhält sich ein spezielles Nanoröhrchen aus symmetrisch angeordneten organischen Molekülen. Wechselnde Temperaturen lassen die winzigen Röhren sogar pulsieren, so dass sie über diese Bewegung als Pumpe für einzelne Moleküle dienen können. In der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Science“ erklären die koreanischen Entwickler den Bewegungsmechanismus.

Zhegang Huang von der Seoul National University und seine Kollegen aus Japan und China mischten langkettige aromatische Makromoleküle in eine wässrige Lösung. Diese Moleküle rollten sich daraufhin selbstständig wie eine Spirale zu einem kleinen Nanoröhrchen mit einem Außendurchmessern von elf Millionstel Millimetern (Nanometer) auf. An den Innenwänden der Molekülketten, die in regelmäßigen Abständen aus sogenannte Pyridin-Gruppen bestanden, lagerten sich bei Raumtemperatur schwach gebundene Wassermoleküle an und stabilisierten die Struktur der Röhrchen.

Aufgeheizt auf etwa 60 Grad Celsius jedoch änderte sich die Form der Nanoröhrchen abrupt. Die schwach gebundenen Wassermoleküle lösten sich ab und ließen die spiralförmige Struktur enger zusammenrücken. Nach dieser Neuanordnung betrug der Außendurchmesser nur noch etwa sieben Nanometer. Wieder abgekühlt, konnten abermals Wassermoleküle andocken und das Röhrchen schwoll auf seine ursprünglichen Maße an.

In weiteren Versuchen gaben Huang und Kollegen Kohlenstoff-Moleküle aus je 60 Atomen zu der wässrigen Lösung hinzu. Diese C-60-Fullerene drangen bei Raumtemperatur in die Nanoröhrchen ein. Beim Aufheizen jedoch wurden sie durch das Schrumpfen des Röhrchens quasi herausgepresst. Dieser Mechanismus könnte nach Aussage der Forscher für eine Temperatur-gesteuerte Nanopumpe für einzelne Moleküle genutzt werden. Mögliche Anwendungsfelder wären Lab-on-Chip-Systeme, in denen mit winzigen Substanzmengen beispielsweise biochemische Reaktionen kontrolliert durchgeführt werden können.