Molekulare Motoren mit Lichtantrieb

Japanische Forscher schaffen die theoretischen Grundlagen für molekulare Motoren, die durch Licht angetrieben werden

Der Traum von nanoskopischen Robotern beschäftigt die Menschheit seit langem. Und inzwischen scheint dieser Traum durchaus realistische Züge anzunehmen. So hat die Nanowissenschaft bereits Bauteile für Maschinen in Molekülgröße hervorgebracht. Japanische Wissenschaftler haben jetzt anhand quantenmechanischer und klassisch-mechanischer Betrachtungen durchgerechnet, wie ein solcher molekularer Motor funktioniert.

Der molekulare Motor der Forschergruppe um Yuichi Fujimura besteht aus einem Kohlenstoff-Fünfring mit zwei Doppelbindungen als Grundkörper. An der Spitze des Fünfecks befindet sich eine Aldehyd-Gruppe (ein Kohlenstoffatom mit einem Wasserstoff- und einem per Doppelbindung gebundem Sauerstoffatom) als asymmetrisches Rotorblatt. Sie ragt in einem 60o-Winkel aus der Ebene des Fünfecks heraus und ist frei drehbar. An den beiden „Schultern“ des Fünfecks sind zwei verschiedene „Dämpfer“ gebunden, die für eine kontrollierte Rotation des Rotors notwendig sind: ein Chloratom und eine Methylgruppe.

Um den Propeller in Rotation zu versetzen, muss eine äußere Kraft angelegt werden, etwa das elektromagnetische Feld einer Lichtwelle. Und was wäre da besser geeignet als ein Laserpuls. Laserlicht zeichnet sich durch seine Kohärenz aus, das heißt, alle Lichtteilchen schwingen mit derselben Amplitude und sind genau in Phase. So entsteht ein einheitliches elektromagnetisches Wechselfeld mit sehr hoher Energie.

Die elektromagnetischen Kräfte des Laserpulses „schubsen“ das Rotorblatt an. In jeder Drehrichtung steht der Rotor allerdings vor einer Barriere aufgrund von Abstoßungskräften durch die Dämpfer. In der „Zündungsphase“ pendelt der Rotor daher zunächst erst einmal hin und her. Wird die Pendelbewegung stärker, schafft es der Rotor, die Energiebarriere des etwas schwächeren Dämpfers, der Methylgruppe, zu überwinden – und kommt damit ins Rotieren. Schneller, immer schneller dreht er sich in dieser Beschleunigungsphase,um dann zunächst gleichmäßig mit konstanter Geschwindigkeit weiterzudrehen. Die Drehrichtung des Propellers hängt von der Lage der beiden Dämpfer ab: Der molekulare Motor kann als Bild oder als Spiegelbild aufgebaut sein, so sind rechts und links herum drehende Propeller zugänglich. Weitere Eigenschaften des Motors, etwa das Drehmoment, können über die Größen des Laserpulses wie Frequenz, Dauer, Form und Intensität, gesteuert werden.

Kontakt:

Prof. Y.Fujimura
Department of Chemistry
Graduate School of Science
Tohoku University
Sendai 980-8578, Japan
Fax: (+81) 22-217-7715
E-mail: fujimura@mcl.chem.tohoku.ac.jp