Elektrofahrzeuge, die von makroskopischen Elektromotoren angetrieben werden, sind auf unseren Straßen und Autobahnen immer häufiger anzutreffen. Diese leisen und umweltfreundlichen Maschinen begannen vor fast 200 Jahren, als Physiker die ersten winzigen Schritte unternahmen, um Elektromotoren auf die Welt zu bringen.
Jetzt hat ein multidisziplinäres Team unter der Leitung der Northwestern University einen Elektromotor entwickelt, den man mit bloßem Auge nicht sehen kann: einen Elektromotor im molekularen Maßstab.
Diese frühe Arbeit – ein Motor, der elektrische Energie auf molekularer Ebene in eine unidirektionale Bewegung umwandeln kann – hat Auswirkungen auf die Materialwissenschaften und insbesondere die Medizin, wo der elektrische molekulare Motor mit biomolekularen Motoren im menschlichen Körper zusammenarbeiten könnte.
„Wir haben die molekulare Nanotechnologie auf eine andere Ebene gehoben“, sagte Sir Fraser Stoddart von Northwestern, der 2016 den Nobelpreis für Chemie für seine Arbeiten zum Design und zur Synthese molekularer Maschinen erhielt. „Diese elegante Chemie verwendet Elektronen, um einen molekularen Motor effektiv anzutreiben, ähnlich wie ein makroskopischer Motor. Während dieses Gebiet der Chemie noch in den Kinderschuhen steckt, sage ich voraus, dass diese winzigen Motoren eines Tages einen großen Unterschied in der Medizin machen werden.“
Stoddart, Kuratoriumsprofessor für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences, ist Mitautor der Studie. Die Forschung wurde in enger Zusammenarbeit mit Dean Astumian, einem Molekularmaschinentheoretiker und Professor an der University of Maine, und William Goddard, einem Computerchemiker und Professor am California Institute of Technology, durchgeführt. Long Zhang, ein Postdoktorand in Stoddarts Labor, ist der Erstautor der Arbeit und Co-korrespondierender Autor.
Der nur 2 Nanometer große molekulare Motor ist der erste, der in Massenproduktion hergestellt wird. Der Motor ist einfach herzustellen, arbeitet schnell und produziert keine Abfallprodukte.
Die Studie und ein entsprechender Kurzbericht wurden heute (11. Januar) von der Zeitschrift veröffentlicht Natur.
Das Forschungsteam konzentrierte sich auf eine bestimmte Art von Molekülen mit ineinandergreifenden Ringen, die als Catenane bekannt sind und durch starke mechanische Bindungen zusammengehalten werden, sodass sich die Komponenten relativ zueinander frei bewegen können, ohne auseinander zu fallen. (Vor Jahrzehnten spielte Stoddart eine Schlüsselrolle bei der Schaffung der mechanischen Bindung, einer neuen Art chemischer Bindung, die zur Entwicklung molekularer Maschinen geführt hat.)
Der elektrische Molekularmotor basiert speziell auf a [3]Catenan, dessen Komponenten – eine Schleife, die mit zwei identischen Ringen verzahnt ist – redoxaktiv sind, dh sie unterliegen einer unidirektionalen Bewegung als Reaktion auf Änderungen des Spannungspotentials. Die Forscher entdeckten, dass zwei Ringe benötigt werden, um diese unidirektionale Bewegung zu erreichen. Experimente zeigten, dass a [2]catenane, das eine Schleife hat, die mit einem Ring verzahnt ist, läuft nicht als Motor.
Die Synthese und der Betrieb von Molekülen, die die Funktion eines Motors erfüllen – externe Energie in gerichtete Bewegung umwandeln – stellt Wissenschaftler in den Bereichen Chemie, Physik und molekulare Nanotechnologie seit einiger Zeit vor Herausforderungen.
Um ihren Durchbruch zu erzielen, verbrachten Stoddart, Zhang und ihr nordwestliches Team mehr als vier Jahre mit dem Design und der Synthese ihres elektrischen Molekularmotors. Dazu gehörte ein Jahr Arbeit mit Astumian von UMaine und Goddard von Caltech, um die quantenmechanischen Berechnungen abzuschließen, um den Arbeitsmechanismus hinter dem Motor zu erklären.
„Die Kontrolle der relativen Bewegung von Komponenten auf molekularer Ebene ist eine gewaltige Herausforderung, daher war die Zusammenarbeit von entscheidender Bedeutung“, sagte Zhang. „Durch die Zusammenarbeit mit Experten für Synthese, Messungen, Computerchemie und Theorie konnten wir einen elektrischen Molekularmotor entwickeln, der in Lösung funktioniert.“
Es wurde über einige Beispiele von Einzelmolekül-Elektromotoren berichtet, aber sie erfordern raue Betriebsbedingungen, wie die Verwendung eines Ultrahochvakuums, und produzieren auch Abfall.
Die nächsten Schritte für ihren elektrischen Molekularmotor, sagten die Forscher, bestehen darin, viele der Motoren an einer Elektrodenoberfläche anzubringen, um die Oberfläche zu beeinflussen und letztendlich nützliche Arbeit zu leisten.
„Die Leistung, über die wir heute berichten, ist ein Beweis für die Kreativität und Produktivität unserer jungen Wissenschaftler sowie für ihre Bereitschaft, Risiken einzugehen“, sagte Stoddart. „Diese Arbeit bereitet mir und dem Team eine enorme Zufriedenheit.“
Mehr Informationen:
Long Zhang et al, Ein elektrischer Molekularmotor, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05421-6