Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Elektrische Felder steuern Nano-Maschinen 100.000-mal schneller als herkömmliche Methoden

19.01.2018

Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue, elektrische Antriebstechnik für Nano-Roboter entwickelt. Mit dieser lassen sich molekulare Maschinen Hunderttausendmal schneller bewegen als mit den bisher genutzten biochemischen Prozessen. Damit werden Nano-Roboter schnell genug für die Fließbandarbeit in molekularen Fabriken. Die neuen Forschungsergebnisse erscheinen am 19. Januar als Coverstory in der renommierten Fachzeitschrift Science.

Auf, ab, auf, ab. Im Gleichtakt schwingen die Lichtpunkte hin und her. Erzeugt werden sie von leuchtenden Molekülen, die an der Spitze winziger Roboterarme fixiert sind. Am Monitor des Fluoreszenzmikroskops verfolgt Prof. Friedrich Simmel die Bewegung der Nano-Maschinen. Ein Mausklick genügt, um die Lichtpunkte in eine andere Richtung wandern zu lassen.


Elektrische Felder steuern den rotierenden Nano-Kran – 100.000-mal schneller als bisherige Methoden.

Enzo Kopperger / TUM


Rotation des Nano-Arms zwischen zwei Andock-Punkten (rot und blau).

Enzo Kopperger / TUM

„Durch Anlegen elektrischer Felder können wir die Arme beliebig in der Ebene drehen,“ erklärt der Inhaber des Lehrstuhls für Physik Synthetischer Biologischer Systeme an der TU München. Seinem Team ist es erstmals gelungen Nano-Roboter elektrisch zu steuern und auch gleich einen Rekord aufzustellen: Die neue Antriebstechnik ist 100 000-mal schneller ist als alle bisherigen Methoden.

DNA-Origami-Roboter für die Fertigung der Zukunft

Weltweit arbeiten Wissenschaftler an neuen Technologien für die Nano-Fabriken der Zukunft. In denen sollen eines Tages wie am Fließband biochemische Proben analysiert oder medizinische Wirkstoffe hergestellt werden. Die dafür notwendigen Miniatur-Maschinen lassen sich bereits kostengünstig mit Hilfe der DNA-Origami-Technik herstellen.

Dass diese molekularen Maschinen nicht längst im großen Maßstab genutzt werden, liegt daran, dass sie bisher nur sehr langsam arbeiten. Durch Zugabe von Enzymen, DNA-Strängen oder mit Hilfe von Licht werden die Bausteine aktiviert und können bestimmte Aufgaben ausführen, beispielsweise Moleküle aufnehmen und transportieren.

Für die Ausführung solcher Aktionen benötigen herkömmliche Nano-Roboter allerdings Minuten, manchmal auch Stunden. Eine effiziente molekulare Fließbandarbeit lässt sich mit diesen Methoden kaum realisieren.

Elektronik macht schnell

„Um nanotechnische Produktionslinien aufzubauen, braucht man eine andere Antriebstechnik. Unsere Idee war es, auf das biochemische Schalten der Nano-Maschinen völlig zu verzichten und stattdessen die Wechselwirkung der DNA-Strukturen mit elektrischen Feldern zu nutzen“, erklärt der TUM-Forscher Simmel, der auch Co-Koordinator des Exzellenz-Clusters Nanosystems Initiative München (NIM) ist.

Das Prinzip hinter der neuen Antriebstechnik ist einfach: DNA-Moleküle enthalten negative Ladungen. Durch Anlegen elektrischer Felder lassen sich die Biomoleküle daher bewegen. Theoretisch ist es damit möglich, Nano-Roboter aus DNA mit Hilfe von Stromimpulsen zu steuern.

Roboterbewegung unterm Mikroskop

Um herauszufinden, ob und wie schnell sich die Roboterarme parallel zu einem elektrischen Feld ausrichten, fixierten die Forscher Nano-Roboterarme auf einem Glasträger und platzierten diesen in einen speziell dafür entwickelten Probenhalter mit elektrischen Kontakten.

Jede einzelne der von Erstautor Enzo Kopperger gefertigten Miniatur-Maschinen besteht aus einer starren Grundplatte von 55 mal 55 Nanometern, auf der sich, verbunden durch ein flexibles Gelenk aus ungepaarten Basen, ein 400 Nanometer langer Arm befindet. Der Aufbau sorgt dafür, dass sich der Arm in der Horizontalen beliebig drehen kann.

In Kooperation mit Fluoreszenz-Spezialisten um Prof. Don Lamb von der Ludwig-Maximilians-Universität LMU markierten die Forscher die Spitzen der Roboterarme mit Farbstoffmolekülen. Deren Bewegung verfolgten sie mit einem Fluoreszenz-Mikroskop. Computergesteuert änderten sie die Richtung des elektrischen Feldes. Auf diese Weise konnten die Forscher die Orientierung der Arme beliebig einstellen und Bewegungsvorgänge vorgegeben.

„Das Experiment hat gezeigt, dass sich molekulare Maschinen elektrisch bewegen und folglich auch antreiben lassen“, sagt Simmel. „Dank der elektronischen Steuerung können wir Bewegungen im Millisekunden-Takt ausführen und sind damit 100.000 Mal schneller als bisherige biochemische Antriebe.“

Auf dem Weg zur Nano-Fabrik

Die neue Steuerungstechnik eignet sich nicht nur, um Farbstoffe oder Nano-Partikel hin- und herzubewegen. Die Arme der Miniatur-Roboter können auch Kräfte auf Moleküle ausüben. Diese Wechselwirkung lässt sich beispielsweise für die Diagnostik und für die Pharmaentwicklung nutzen, betont Simmel: „Nano-Roboter sind klein und preiswert. Millionen von ihnen könnten gleichzeitig arbeiten, um in einer Probe nach bestimmten Stoffen zu suchen oder um Schritt für Schritt – wie am Fließband – komplizierte Moleküle zu synthetisieren.“


Die Arbeit wurde gefördert durch den Sonderforschungsbereich SFB 1032 „Nanoagents“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft und die International Graduate School of Science and Engineering der TUM sowie das Center for Nano Science und das BioImaging Network der Ludwig-Maximilians-Universität München.

Publikation:

E. Kopperger, J. List, S. Madhira, F. Rothfischer, D. C. Lamb, F. C. Simmel, A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields, Science, 19. Jan. 2018.

Kontakt:

Prof. Dr. Friedrich C. Simmel
Technische Universität München
Physik Synthetischer Biologischer Systeme
Am Coulombwall 4a, 85748 Garching, Germany
Tel: +49 89 289 11610 – E-Mail: simmel@tum.de

Weitere Informationen:

http://www.e14.ph.tum.de/en/home/ Website der Arbeitsgruppe
http://science.sciencemag.org/content/359/6373/296/tab-figures-data Videomaterial (am Seitenende)
https://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/detail/article/34360/ Massenproduktion DNA-Origami
https://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/detail/article/34408/ Presseinformation auf der TUM-Website

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Vernetzte Beleuchtung: Weg mit dem blinden Fleck
18.07.2018 | Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

nachricht Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie
17.07.2018 | Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Automatisiertes Befüllen von Regalen im Einzelhandel

19.07.2018 | Verkehr Logistik

Mobilfunkstrahlung kann die Gedächtnisleistung bei Jugendlichen beeinträchtigen

19.07.2018 | Studien Analysen

Mit dem Nano-U-Boot gezielt gegen Kopfschmerzen und Tumore

19.07.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics