Auf den ersten Blick sehen die molekularen Motoren von Rabih O. Al-Kaysi aus wie mikroskopisch kleine Würmer, die man in einem Tropfen Teichwasser sehen würde. Aber diese zappelnden Bänder sind nicht lebendig; Dabei handelt es sich um Geräte aus kristallisierten Molekülen, die bei Lichteinwirkung koordinierte Bewegungen ausführen. Al-Kaysi und Kollegen sagen, dass ihre winzigen Maschinen bei weiterer Weiterentwicklung von Ärzten als Medikamentenverabreichungsroboter eingesetzt oder in Anordnungen eingebaut werden könnten, die den Wasserfluss um U-Boote herum lenken.
Ihre Ergebnisse stellen die Forscher heute auf der vor Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS).
Das Team baute 2021 seinen ersten molekularen Kristallmotor mit Molekülen, die eine Photoisomerisierung ermöglichten – vereinfacht gesagt, die einzelnen Moleküle im Motor bewegen eine ihrer chemischen Gruppen hin und her, wenn sie Licht ausgesetzt werden, und ihre kollektive Bewegung führt zu einer sichtbaren Bewegung des Motors selbst.
„Unser erster Motor war ein Mikrodraht, der sich bog und flatterte, als ich ihn einer Kombination aus UV- und sichtbarem Licht aussetzte“, sagt Al-Kaysi. „Es sah aus wie ein Bandtänzer. Es sah lebendig aus.“
Die Moleküle im ersten Motor des Teams benötigten mehrere Lichtwellenlängen (UV und sichtbar), um die Photoisomerisierung voranzutreiben. Al-Kaysi und sein Kollege Christopher Bardeen wollten jedoch molekulare Kristallmotoren entwickeln, die zum Betrieb nur eine einzige Lichtwellenlänge benötigen. Deshalb synthetisierten sie eine Bibliothek lichtabsorbierender Anthracenmoleküle, die mit einer einzigen Lichtquelle eine ununterbrochene Hin- und Herbewegung – also eine kontinuierliche Photoisomerisierung – durchführen können.
Bildnachweis: American Chemical Society
Die Forscher sind dabei, die Anthracen-basierten Moleküle zu charakterisieren und sie als Bausteine für die Herstellung weiterer molekularer Kristallmotoren zu verwenden. Zu ihrer lichtaktivierten Menagerie gehören jetzt lange schlangenartige Seile und eine sehr haarige Spinne, die sich beugen, springen, drehen und tanzen kann.
Al-Kaysi, ein organischer Chemiker an der King Saud bin Abdulaziz University for Health Sciences und dem King Abdullah International Medical Research Center, arbeitet seit mehr als zwei Jahrzehnten mit Bardeen, einem Professor für Chemie an der University of California, Riverside, an fotomechanischen Kristallen.
Diese „intelligenten“ Kristalle wandeln die Energie, die sie vom Licht absorbieren, in mechanische Arbeit um und werden typischerweise als thermisch reversibel oder photochemisch reversibel charakterisiert. Mit anderen Worten: Die anfängliche Bewegung der Kristalle als Reaktion auf einen Lichtreiz wird durch einen zweiten Wärme- bzw. Lichtreiz umgekehrt. Allerdings erhält eine dritte Untergruppe dieser intelligenten Kristalle aufgrund ihrer Fähigkeit, eine kontinuierliche, oszillierende Bewegung aufrechtzuerhalten, wenn sie einer einzelnen Lichtquelle ausgesetzt wird, mehr Aufmerksamkeit von Chemikern wie Al-Kaysi und Bardeen.
Die photoreaktiven Moleküle in Al-Kaysis Bibliothek sind der Ausgangspunkt für die Herstellung molekularer Kristallmotoren. Jedes der Moleküle enthält drei Segmente: ein Anthracen-Segment, eine Kohlenstoff-Doppelbindung und eine anpassbare „Kopfgruppe“ auf der anderen Seite der Kohlenstoffbindung. Das Anthracen absorbiert Licht und überträgt die Energie an die Kohlenstoffdoppelbindung, die als Achse des Moleküls fungiert. Dann bestimmt die Kopfgruppe die Struktur, Form und das Verhalten der Kristallpackung des Moleküls.
Sobald die Anthracenmoleküle synthetisiert sind, werden sie in eine Seifenlösung injiziert, wo sie sich in einem Prozess namens „Crystal Engineering“ zusammenlagern. Diese kristallisierten Klumpen werden als „Samen“ verwendet und in eine andere Seifenlösung mit mehr Anthracenmolekülen gegeben, wo sie sich selbst zu größeren Formen zusammenfügen – typischerweise Stäbe und Drähte.
Einige dieser Strukturen fügen sich selbst zu noch komplexeren Formen zusammen, die mit bloßem Auge sichtbar sind. Während die Selbstorganisation des Motors größtenteils zufällig erfolgt, suchen die Forscher nach Möglichkeiten, sie zu steuern, indem sie die Temperatur und den Seifengehalt der Flüssigkeit variieren und die Flüssigkeit mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rühren.
Wenn die Motoren in ihrer Seifenlösung beleuchtet werden, zeigen sie komplizierte und kontinuierliche 3D-Bewegungen. Die Forscher können die Bewegung eines Motors anpassen, indem sie die Lichtintensität und Wellenlänge anpassen. Auf molekularer Ebene wird die Bewegung durch Photoisomerisierung um die Kohlenstoffdoppelbindung vorangetrieben, wissen die Forscher. Allerdings untersuchen sie noch, wie die Moleküle dieses Verhalten über den gesamten Molekülkristallmotor hinweg koordinieren.
Bei Demonstrationen stellten die Forscher fest, dass die Motoren bemerkenswert langlebig sind und auch nach stundenlanger Lichteinwirkung keine Ermüdungserscheinungen zeigen. Und weil sie auf Kristallen basieren, sind sie von Natur aus beständig gegen Korrosion und elektromagnetische Störungen und bieten ein „außergewöhnliches“ Gewicht-Leistungs-Verhältnis. Diese Eigenschaften machen die molekularen Kristallmotoren den Forschern zufolge besonders geeignet für biomedizinische Anwendungen, Mikromaschinen und Mikrosatelliten.
Al-Kaysi und Bardeen sagen, dass ihre grundlegenden wissenschaftlichen Entdeckungen mit Hilfe eines „Ingenieurs“ das Potenzial haben, Probleme der realen Welt zu lösen, wie zum Beispiel lichtaktivierte molekulare Maschinen für die Medikamentenabgabe und Anordnungen, die den Wasserfluss um einen herum lenken Schiffsrumpf.