Alles aufgewickelt: Ein reversibler molekularer Wirbel

In den letzten Jahrzehnten haben Forscher winzige molekulare Maschinen gebaut, die andere Moleküle drehen oder transportieren. Es ist jedoch schwierig, die mechanische Arbeit und die Kräfte zu bestimmen, die diese winzigen Apparate leisten, was wichtig ist, wenn sie als Nanoroboter oder in künstlichen Muskeln eingesetzt werden. Jetzt im Zeitschrift der American Chemical Societyberichten Forscher von molekularen Motoren, die sich wie wirbelnde Spielzeuge drehen und aufdrehen und so die Messung der Energie und des Drehmoments ihrer Drehungen ermöglichen.

Die Natur stellt bereits eine Vielzahl molekularer Maschinen her, sei es in den haarähnlichen Geißeln, die Bakterien antreiben, oder in dem rotierenden Enzym, das die energiespeichernde Verbindung Adenosintriphosphat (ATP) produziert. Forscher haben ihre eigenen Versionen mit dem Ziel entwickelt, sie als Transporter oder Pumpen zu verwenden oder Materialien herzustellen, die mechanische Energie speichern und abgeben können. Obwohl es mittlerweile viele Konstruktionen gibt, bleibt es schwierig, sie für wiederholte Drehungen zu konstruieren und zu messen, wie viel Arbeit – oder Kraft, die über eine Distanz ausgeübt wird – sie ausüben kann. Also machten sich Nicolas Giuseppone und Kollegen daran, molekulare Maschinen mit reversibler zyklischer Bewegung zu bauen, die ihnen genau das ermöglichen würden.

Die Forscher konstruierten eine molekulare Maschine in Form einer Acht mit einem Rotationsmotor in der Mitte und einer Polymerkette in jeder ihrer beiden Schleifen. Ultraviolettes Licht aktivierte die Rotation am Schnittpunkt der Acht und bewirkte, dass sich die Schleifen ein-, zwei- oder dreimal umeinander drehten. Wenn das Licht ausgeschaltet wurde, wickelten sich die Maschinen mit kleineren Schleifen allmählich ab, um die Spannung zu verringern, genau wie das Abwickeln eines wirbelnden Spielzeugs. Anschließend führten die Forscher Dreh-Aufdreh-Experimente bei unterschiedlichen Temperaturen durch, um Arbeit, Kraft und Drehmoment zu berechnen. Der Kreisel übte ein ähnliches Drehmoment aus wie das bekannte Enzym, das ATP produziert, und lieferte somit einen vielversprechenden Einblick in die mechanische Energie, die von diesen winzigen Maschinen gespeichert und freigesetzt werden könnte.