Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Das kleinste Elektromobil der Welt – auf der Titelseite von „Nature“

10.11.2011
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. Bewundern lässt sich der «Prototyp» auf dem Cover der neuesten Ausgabe des Wissenschaftsmagazins «Nature».

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.


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


«Nature»-Titelblatt der Ausgabe vom 10. November 2011 mit dem wohl «kleinsten Elektromobil der Welt» Nature

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.

Literaturhinweis
Electrically driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surface, T. Kudernac, N. Ruangsupapichat, M. Parschau, B. Macia, N. Katsonis, S.R. Harutyunyan, K.-H. Ernst, B.L. Feringa,

Nature 479 (2011), doi: 10.1038/nature10587

Rémy Nideröst | EMPA
Weitere Informationen:
http://www.empa.ch/plugin/template/empa/3/114116/---/l=1

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Schnell wachsende Galaxien könnten kosmisches Rätsel lösen – zeigen früheste Verschmelzung
26.05.2017 | Max-Planck-Institut für Astronomie

nachricht 3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind
24.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften