Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Ein Nano-Auto mit molekularem Allradantrieb

14.11.2011

Empa

Das 4 x 2 Nanometer kleine Molekül-Auto fährt auf seinen elektrisch angetriebenen Rädern über eine Kupferoberfläche.

Kleiner geht’s nicht mehr: Das emissionsfreie, geräuschlose Allradfahrzeug, das Empa-Forscher gemeinsam mit niederländischen Kollegen entwickelt haben, ist Leichtbau im Extremen; das Nano-Auto besteht lediglich aus einem einzigen Molekül und fährt auf vier elektrisch angetriebenen Rädern nahezu geradlinig über eine Kupferoberfläche.

Um mechanische Arbeit zu verrichten, greifen wir meist auf Motoren zurück. Mit diesen wandeln wir chemische, thermische oder elektrische Energie in Bewegungsenergie um, etwa um Waren von A nach B zu transportieren. Die Natur macht es gleich; in Zellen verrichten so genannte Motorproteine – zum Beispiel Kinesin und das Muskelprotein Aktin – diese Aufgabe. Meist gleiten sie an anderen Proteinen entlang, ähnlich wie ein Zug auf Schienen, und «verbrennen» dabei ATP (Adenosintriphosphat), sozusagen das chemische Benzin der belebten Natur.

Ziel vieler Chemiker ist es, mit Hilfe ähnlicher Prinzipien und Konzepte molekulare Transportmaschinen zu entwerfen, die dann auf der Nanoskala bestimmte Arbeiten verrichten könnten. Wissenschaftlern der Universität Groningen und der Empa ist nun «ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu künstlichen nanoskaligen Transportsystemen» gelungen, wie das Wissenschaftsmagazins «Nature» in seiner neusten Ausgabe schreibt. Sie haben ein Molekül aus vier rotierenden Motoreinheiten – sprich: Räder – synthetisiert, das kontrolliert geradeaus fahren kann. «Dabei braucht unser Auto weder Schienen noch Benzin; es fährt mit Strom. Es dürfte das kleinste Elektromobil der Welt sein – und dann erst noch mit Allradantrieb», sagt Empa-Forscher Karl-Heinz Ernst.

Reichweite pro Tankfüllung: noch verbesserungsfähig

Der Nachteil: Das circa 4 x 2 Nanometer kleine Auto – rund eine Milliarde Mal kleiner als ein VW Golf – muss nach jeder halben Radumdrehung erneut mit Strom betankt werden – über die Spitze eines Rastertunnelmikroskops (STM, engl. für Scanning Tunneling Microscope). Außerdem können sich die Räder aufgrund ihres molekularen Designs nur in eine Richtung drehen. «Es gibt keinen Rückwärtsgang», so Ernst lakonisch, der auch Professor an der Universität Zürich ist.

Der Antrieb des komplexen organischen Moleküls funktioniert gemäß «Bauplan» folgendermaßen: Nachdem Ernsts Kollege Manfred Parschau es auf eine Kupferoberfläche sublimiert und die STM-Spitze in gebührendem Abstand darüber positioniert hatte, legte er eine Spannung von mindestens 500 Millivolt an. Nun sollten Elektronen durch das Molekül «tunneln» und dadurch reversible strukturelle Veränderungen in jeder der vier Motoreinheiten auslösen. In einem ersten Schritt findet eine cis-trans-Isomerisierung an einer Doppelbindung statt, eine Art Umlagerung – allerdings in eine räumlich extrem ungünstige Position, in der sich grosse Seitengruppen gegenseitig den Raum streitig machen. Als Folge davon klappen die beiden Seitengruppen aneinander vorbei und landen wieder im energetisch günstigeren Ausgangszustand – das Schaufelrad hat eine halbe Drehung absolviert. Drehen sich alle vier Räder simultan, sollte das Auto vorwärts fahren. So wollte es zumindest die Theorie aufgrund der Molekülstruktur.

Fahren oder nicht – eine Frage der Orientierung

Und genau das beobachteten Ernst und Parschau: Nach zehn STM-Anregungen hatte sich das Molekül um sechs Nanometer nach vorne bewegt – auf einer mehr oder weniger geraden Linie. «Die Abweichungen von der vorhergesagten Trajektorie kommen daher, dass es nicht ganz trivial ist, alle vier Motoreinheiten zeitgleich anzuregen», erklärt «Testfahrer» Ernst.

Dass das Molekül sich tatsächlich so verhält wie vorhergesagt, zeigte ein weiteres Experiment. Um die zentrale Achse, eine C-C-Einfachbindung – das Chassis des Autos sozusagen –, kann ein Teil des Moleküls frei rotieren. Es kann also auf der Kupferoberfläche in zwei verschiedenen Orientierungen «landen»: in einer richtigen, in der alle vier Räder sich in die gleiche Richtung drehen, und in einer falschen, in der die Räder der Hinterachse sich nach vorne, die vorderen aber nach hinten drehen – das Auto bleibt trotz Anregung stehen. Auch dies konnten Ernst und Parschau mit dem STM klar verfolgen.

Ein erstes Ziel hat das niederländisch-schweizerische Team also erreicht, ein «proof of concept» nämlich, dass einzelne Moleküle externe elektrische Energie aufnehmen und in eine gezielte Bewegung umwandeln können. Als nächstes planen Ernst und Co., Moleküle zu entwickeln, die sich mit Licht antreiben lassen, etwa in Form eines UV-Lasers.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Empa
  • News

    Preisgünstige Batterien aus Abfall-Graphit

    Lithium-Ionen-Akkus sind brennbar, und der Preis für den Rohstoff steigt. Gibt es Alternativen? Ja: Forscher der Empa und der ETH haben vielversprechende Ansätze entdeckt, wie man Batterien aus Abfall-Graphit und Schrott-Metallen herstellen könnte. Kostiantyn Kravchyk arbeitet in Forschung ... mehr

    Ein Papier, das Kupfer aufspürt

    Ein Empa-Team hat einen Biosensor entwickelt, der günstig, einfach und schnell erhöhte Kupferwerte messen kann. Kupfer ist – genau wie andere Schwermetalle – problematisch für Mensch und Umwelt. Das Träger­material für den Sensor – mikrofibrillierte Zellulose – ist ebenfalls eine ­Empa-Entw ... mehr

    Neues, ungiftiges Flammschutzmittel vor Markteintritt

    Chemiker der Empa haben einen neuen Syntheseweg für umweltfreundliche Flammschutzmittel entwickelt und patentiert. Diese sind für Matratzen und Polstern geeignet. Anders als bisherige Flammschutzmittel aus chlorhaltigen Chemikalien ist die neue Stoffklasse ungiftig und effizient. Zwei Indus ... mehr

  • Videos

    Nanozellulose-Schwämme gegen ausgelaufenes Öl

    Mit Nanozellulose gegen die Ölverschmutzungen in Gewässer. Empa-Forschenden ist es gelungen, einen Nanozellulose-Schwamm herzustellen, der Öl im Wasser aufsaugt und immer noch schwimmt. So könnte man in Zukunft ganz einfach ausgelaufenes Öl im Wasser entfernen. mehr

    Brennstoffzellen: «Saubere» Mobilität dank Wasserstoff

    Wasserstoff wird oft als «Benzin der Zukunft» bezeichnet. Die Postauto Schweiz AG betreibt versuchsweise eine Wasserstofftankstelle in Brugg AG für ihre Brennstoffzellen-Busse. An diesem Projekt beteiligt sich die Empa in Beratungsfunktion. Sie untersucht die Effizienz der Wasserstoffproduk ... mehr

    Warum Handy-Akkus explodieren

    Akkus von Laptops oder Mobiltelefonen können sich nach einer gewissen Nutzungsdauer aufblähen oder gar explodieren. In einem Empa-Labor wird gezeigt, was dabei geschieht. mehr

  • Forschungsinstitute

    Empa - Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research

    mehr

    Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

    Die Empa ist eine interdisziplinäre Forschungs- und Dienstleistungsinstitution für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung innerhalb des ETH-Bereichs. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der Empa orientieren sich an den Anforderungen der Industrie und den Bedürfnissen der ... mehr

    Empa

    Die Empa ist eine interdisziplinäre Forschungs- und Dienstleistungsinstitution für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung innerhalb des ETH-Bereichs. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der Empa orientieren sich an den Anforderungen der Industrie und den Bedürfnissen der ... mehr

Mehr über Uni Groningen
Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.