Nanotechnik: Spielzeug aus dem Molekülbaukasten

Die Motoren der Zukunft sind klein - winzig klein. Chemiker haben jetzt aus einem Molekül, das wie ein Spielzeugkreisel aussieht, einen Nanomotor gebastelt.

Eine der Herausforderungen an die moderne synthetische Chemie stellt die Konstruktion rotierender molekularer Motoren dar. Sie dienen zum Antrieb von Strukturelementen, deren Größe sich in Nanometern messen lässt, also nur einige Millionstel Millimeter beträgt. Ein Molekül, das diese Aufgaben erfüllen kann, besteht aus einer starren Befestigungseinheit und einem beweglichen rotierenden Teil. Durch Einwirkung von außen, zum Beispiel über ein elektrisches Wechselfeld, sollte eine Steuerung des Rotors möglich sein.

Chemiker aus Erlangen haben jetzt auf einem relativ einfachen Weg eine neuartige Verbindung hergestellt, die diesen Ansprüchen gerecht wird. Dabei ließen sich Takanori Shima, Frank Hampel und John Gladysz vom Aufbau eines klassischen Kinderspielzeugs inspirieren: des Brummkreisels.

Nanomotor | Struktur des Nanomotors: Drehbar aufgehängt an zwei Phosphor-Atomen sitzt in der Mitte ein Eisen-Atom mit drei Carbonylgruppen als Rotorblätter. Als starres Gehäuse dienen drei Kohlenwasserstoffketten, die mit dem Phosphor verknüpft sind.

Wie bei diesem rotierte in ihrem molekularen Kreisel eine drehbare Achse in einem starren Gehäuse, das aus drei kreisförmigen Speichen besteht. Zwei Phosphor-Atome bildeten die Befestigungspunkte der Achse. In ihrer Mitte befand sich ein Eisen-Atom, das mit drei senkrecht zur Drehachse stehenden Carbonylgruppen (-CO) verknüpft war, welche die Rotorblätter darstellten. An den Phosphor-Aufhängepunkten waren außerdem noch drei längere Kohlenwasserstoffketten befestigt. Ihre gegenüberliegenden Enden verbanden die Chemiker jeweils miteinander, sodass sie die drei Ringe erhielten, welche den starren Käfig um den Rotor herum bildeten.

Diese Grundstruktur des Spielzeugkreisels lässt nach Ansicht der Forscher zahlreiche Variationen zu: So können sie die Größe des Gerüstes an verschiedene Rotoren angepassen, indem sie die Länge der Kohlenwasserstoffketten ändern. Ersetzen die Forscher eines der drei Carbonyl-Rotorblätter durch einen Nitrosylrest (-NO) entsteht eine elektrische Asymmetrie – ein Dipolmoment. Der Rotor richtet sich dementsprechend im elektrischen Feld aus und wird dadurch von außen steuerbar. Entfernen die Forscher schließlich den Rotor komplett, so erhalten sie ringförmige Verbindungen, die sonst nur über sehr aufwändige Synthesen zugänglich sind.