Künstliche Muskeln, die sich durch Licht steuern lassen
Chemiker entwickelt intelligente Materialien auf Basis winziger molekularer Maschinen
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Robotermuskeln, die sich nach einem Lichtpuls zusammenziehen; würfelförmige Bildschirme, auf denen man dreidimensionale Abbildungen aus allen Richtungen betrachten kann: Prof. Dr. Henry Dube von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) möchte in den kommenden vier Jahren Materialien für völlig neue Anwendungsmöglichkeiten entwickeln. Ihre Basis bilden winzige molekulare Maschinen, die jeweils nur aus einigen Dutzend Atomen bestehen. Der Chemiker möchte verschiedene Arten von ihnen zu dreidimensionalen Geweben verknüpfen, die je nach Art und Anordnung der Bausteine unterschiedliche Funktionen ermöglichen. Das Projekt wird von der Volkswagen-Stiftung mit mehr als 900.000 Euro gefördert.
Dubes Idee ist nicht so exotisch, wie sie klingt: In sämtlichen Lebewesen werkeln zahllose molekulare Maschinen, die jeweils auf bestimmte Aufgaben spezialisiert sind. So bestehen Muskeln aus Proteinen, die sich durch klimmzugartige Bewegungen aneinander entlang hangeln, wodurch sich der Muskel verkürzt. „Wir entwickeln schon seit einiger Zeit Moleküle, die prinzipiell ähnliche Funktionen erlauben“, erklärt der Wissenschaftler, der seit 2020 an der FAU den Lehrstuhl für Organische Chemie I leitet. „Sie sind allerdings in der Regel ganz anders aufgebaut als ihre natürlichen Vorbilder und zudem deutlich kleiner.“
Dazu zählen beispielsweise winzige Zahnräder, die nur aus einigen Dutzend Atomen bestehen und sich zu Getrieben hintereinander gruppieren lassen. Auch Nano-Motoren oder Pinzetten, die kleinste Gegenstände greifen können, hat Dube bereits gebaut. In dem Projekt der Volkswagen-Stiftung möchte er nun einen Schritt weiter gehen. In einem Muskel sind zahllose „Klimmzug-Moleküle“ hintereinander geschaltet. Zusätzlich werden sie hunderttausendfach gebündelt, damit sie zusammen ausreichend Kraft entfalten können. „Wir wollen ebenfalls dreidimensionale Gewebe herstellen, in denen wir zahlreiche molekulare Maschinen nach definierten Regeln miteinander verknüpfen“, sagt der Chemiker. „Je nachdem, welche verschiedenen Arten von Bausteinen wir in diesen Polymeren kombinieren, entstehen so intelligente Materialien für die unterschiedlichsten Anwendungen.“
Materialien, deren Eigenschaften sich mit Licht programmieren lassen
Auf diese Weise sollte es zum Beispiel möglich sein, künstliche Muskeln für neuartige Roboter herzustellen. Anders als ihre natürlichen Pendants sollen sie nicht durch Spannungspulse gesteuert werden, sondern durch Licht. „Viele der Nanomaschinen, die wir verwenden, ändern unter Lichteinstrahlung ihre Gestalt“, sagt Dube. „Dadurch können wir beispielsweise Bewegungen auslösen.“ Oft führt diese Gestaltsänderung auch dazu, dass sie eine andere Farbe annehmen. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise würfelartige Bildschirme herstellen, in die sich dreidimensionale Bilder schreiben lassen. Diese lassen sich aus allen Richtungen betrachten und zudem – anders als bei Lasergravuren in Glas – auch wieder problemlos löschen.
„Wir planen zudem, Materialien herzustellen, deren Eigenschaften sich programmieren lassen“, erklärt der Chemiker. „Bei blauem Licht könnten sie zum Beispiel fest werden, bei rotem Licht dagegen elastisch.“ Man könnte sogar einen Greifarm konstruieren, der nur für kurze Zeit und an einer definierten Stelle elastisch wird und sich dort biegen lässt.
Wissenschaftliches Neuland
Dube betritt mit seinem Vorhaben Neuland. Die Volkswagen-Stiftung fördert es im Rahmen ihres sogenannten Momentum-Programms. Dieses richtet sich an Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die erst vor kurzem eine Professur angetreten haben und die ihre Expertise auf ein neues Gebiet ausweiten möchten. „Als organische Chemiker arbeiten wir normalerweise mit Einzelmolekülen“, sagt er. „Mit unseren Ideen stoßen wir dagegen in die Materialwissenschaften vor – ein Feld, das eine ganz andere Expertise erfordert.“ Er wird daher aus den Mitteln der Stiftung unter anderem Postdoktoranden finanzieren, die genau auf diesem Gebiet das nötige Know-how mitbringen. „Ich bin absolut optimistisch, dass wir unsere Ideen auf diese Weise erfolgreich umsetzen können.“
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