2016 erhielten der Professor für Organische Chemie der Universität Groningen, Ben Feringa, und zwei seiner Kollegen den Nobelpreis für Chemie für die Erschaffung der „winzigsten Maschinen der Welt“. Feringa hatte einen lichtbetriebenen Motor gebaut, der aus einem einzigen Molekül bestand. Der wissenschaftliche Artikel, der diesen molekularen Motor beschreibt, wurde vor 25 Jahren veröffentlicht. am 9. September 1999In Natur.
Das erste Motormolekül war eigentlich als lichtbetriebener molekularer Schalter konzipiert. Feringa suchte nach Möglichkeiten, Schalter aus einzelnen Molekülen herzustellen, um immer kleinere elektronische Bauteile herzustellen. Diese Schalter sollten „molekulare Bits“ bilden, die durch Ein- und Ausschalten Informationen als Nullen und Einsen speichern könnten.
Feringa suchte damals nicht nach einem molekularen Motor, obwohl er zuvor spekuliert hatte, dass eine solch winzige Maschine existieren könnte. Und da das Glück dem vorbereiteten Geist hold ist, erkannte er die merkwürdigen Ergebnisse, die sein Postdoc Nagatoshi Koumura vorlegte.
Koumura hatte einen solchen „Schalter“ erforscht, doch stattdessen fand er Anzeichen eines Moleküls, das nicht zwischen zwei Positionen hin- und herschaltete, sondern bei dem ein Teil eine volle 360-Grad-Drehung vollführte und sich um eine Molekülachse drehte.
Das Motormolekül besteht aus einem Ober- und einem Unterteil, die über zwei Kohlenstoffatome, die die Drehachse bilden, verbunden sind, und wird durch ultraviolettes Licht und Wärme angetrieben.
Wenn UV-Licht auf das Molekül fällt, dreht es sich um 180 Grad. Diese Drehung ist umkehrbar, aber durch zusätzliche Wärmeeinwirkung verändert sich dabei die Form des Moleküls. Diese Formänderung verhindert eine Umkehr, sodass die Drehung nur in eine Richtung erfolgt. Zwei dieser Licht-/Wärmeschritte erzeugen eine volle 360-Grad-Drehung.
Nachdem Feringas Team herausgefunden hatte, wie das Motormolekül funktioniert, begannen sie, es zu verbessern. Die Rotationsgeschwindigkeit wurde erhöht und es wurden alle möglichen Modifikationen vorgenommen, um es effizienter laufen zu lassen. Ein Motor ist natürlich nur dann nützlich, wenn er Arbeit verrichten kann.
Die ersten Motoren wurden so konstruiert, dass sie frei in einem Lösungsmittel schwebten, was bedeutete, dass sie nicht viel tun konnten, außer das Lösungsmittel zu rühren. Daher wurden Motormoleküle an einer Oberfläche befestigt, wodurch sie Kraft auf ihre Umgebung ausüben konnten.
Im Jahr 2006 veröffentlichte die Forschungsgruppe Ben Feringa eine Arbeit, in der sie beschreibt, wie lichtgetriebene Motormoleküle in einem flüssigkristallinen Film könnte einen Glasstab drehen 10.000 Mal größer als diese Motoren. Außerdem wirkten die aus den lichtgetriebenen Motormolekülen erzeugten Fasern wie Muskeln; sie ziehen sich zusammen, wenn eine Seite beleuchtet wird. Und kürzlich wurden Feringas lichtgetriebene Motoren eingesetzt in einem 3D-gedruckten „Schmetterling.“ Das Bestrahlen der Flügel des Schmetterlings mit UV-Licht verändert deren Form und führt zu einer Schlagbewegung – wobei betont werden muss, dass er nicht fliegt.
Ein winziges Auto
In einem besonderen Projekt wurden vier Motormoleküle mit einem Chassis verbunden, um ein Nanoauto mit Allradantrieb zu schaffen. Es wurde fertiggestellt und in der Zeitschrift beschrieben Natur im Jahr 2011. Das Nanoauto verwendete eine modifizierte Version des Molekularmotors, der mit Strom betrieben wurde, der von der Oberfläche, auf der es fuhr, erzeugt wurde.
Dieses Projekt wurde von einem Team durchgeführt, zu dem auch Syuzanna Harutyunyan, Tibor Kudernac und Nathalie Katsonis gehörten, die mittlerweile alle ordentliche Professoren am Stratingh-Institut für Chemie der Universität Groningen sind.
In der neuesten Version des molekularen Motors wurde die Effizienz noch weiter gesteigert, wodurch seine Bewegungen leichter zu steuern sind. Als eine Charge der älteren Versionen des molekularen Motors bestrahlt wurde, bildete sich eine Mischung von Motoren in verschiedenen Stadien des Rotationszyklus. Mit dem effizienteren Motor ist es möglich, alle Motoren zu synchronisieren und sie in jedem Stadium des Rotationszyklus zu steuern.
Dieser neue Motor wurde verwendet, um die Farbe eines Flüssigkristalls durch Licht zu ändern.
Lichtkontrollierte Medikamente
Mittlerweile haben die Schalter, mit denen alles begann, ein Comeback erlebt – allerdings nicht in Computerchips, sondern in Medikamenten. Lichtgesteuerte Schalter können Medikamente gezielt dort einschalten, wo sie benötigt werden. Nach ein paar Stunden schalten sie sich automatisch wieder ab.
Dies könnte die Anzahl der Nebenwirkungen im Körper verringern. Es bedeutet auch, dass das Medikament, beispielsweise ein antimikrobielles Mittel, seine Wirkung verliert, wenn es den Körper verlässt und in das Abwassersystem gelangt, wodurch die Entwicklung einer antimikrobiellen Resistenz in der Umwelt verhindert wird.
In seiner Dankesrede für den Nobelpreis 2016 verglich Feringa seine molekularen Motoren mit dem ersten Flugzeug der Gebrüder Wright. Obwohl dieses noch weit von modernen Düsenflugzeugen entfernt war, markierte es den Beginn einer völlig neuen Ära.
In 25 Jahren haben sich molekulare Motoren von eigenartigen Molekülen zu Werkzeugen entwickelt, die in der Materialwissenschaft und Medizin eingesetzt werden können. Die nächsten 25 Jahre werden wahrscheinlich zeigen, ob sie unsere Welt auf ähnliche Weise revolutionieren können wie die Luftfahrtindustrie.
Nicht nur ein Motortyp
Der Aufbau von Molekülen war schon immer eine Leidenschaft von Feringa und er nutzte diese Fähigkeiten, um an verschiedenen Themen zu arbeiten. Er leistete mehrere bedeutende Beiträge auf dem Gebiet der Katalyse, der Entwicklung von Verbindungen, die eine chemische Reaktion beschleunigen, ohne dabei verbraucht zu werden – wichtige Werkzeuge für die chemische Industrie.
Er hat auch Chiralität untersucht, die „Händigkeit“ von Molekülen, die dieselbe Zusammensetzung haben, aber einander spiegeln, genau wie unsere linke und rechte Hand. In der Chemie können die verschiedenen „Hände“ sehr unterschiedliche Eigenschaften haben, aber Chiralität ist auch ein Merkmal des Lebens. Die Untersuchung dieser Eigenschaft könnte uns mehr darüber verraten, wie das Leben auf der Erde entstand.