- Der Mikromotor nutzt elektrischen Strom, um spiralförmige Moleküle zu drehen, wodurch der Strom um bis zu 100-fach verstärkt wird.
- Das Gerät zeigt eine spannungsgesteuerte Rotation mit 100% Richtungsvorliebe.
- Die Leitfähigkeit der Moleküle ist im Ruhezustand am besten, während die Rotation sie in die optimale Position bringt.
- Die Forschung könnte die Entwicklung molekularer elektronischer Bauteile und mikroskopischer Flüssigkeitssysteme fördern.
Von alten Wasserpumpen inspirierte Maschinen können nun auf molekularer Ebene arbeiten. Ein internationales Forscherteam hat einen Mikromotor entwickelt, der durch elektrischen Strom spiralförmige Moleküle zum Rotieren bringt, wodurch der durchfließende Strom um bis zu 100-fach verstärkt werden kann. Diese Entdeckung etabliert eine neue Methode zur Kopplung mechanischer Bewegung mit Elektrizität auf kleinstem Maßstab und eröffnet neue Möglichkeiten für die Moleküle Elektronik. Wissenschaftler haben Jahrzehnte damit verbracht, künstliche molekulare Maschinen zu entwickeln, die von Bewegungen innerhalb biologischer Zellen inspiriert sind. Es bleibt jedoch eine Herausforderung, die Moleküle unter elektrischem Strom vorhersehbar rotieren zu lassen, während sie mit metallischen Elektroden in Kontakt bleiben.
Dieses neue Gerät zeigt eine spannungsgesteuerte Rotation mit 100% Richtungsvorliebe und nutzt ein Prinzip, das auf über 2000 Jahre alten Grundlagen basiert.
Prinzip der spannungsgesteuerten Rotation
Fabian Pauli, einer der Forschungsautoren von der Universität Augsburg, erklärt: „Wir haben gezeigt, dass elektrischer Strom verwendet werden kann, um gerichtete Rotation zu erzeugen, die wiederum den Strom kontrolliert. Dies ist ein neues Betriebsprinzip für Maschinen an der Grenze der Miniaturisierung.“ Die Forscher ließen sich vom Design der Archimedes-Schnecke inspirieren, einem alten Gerät mit spiralförmigen Klingen, das beim Drehen Wasser oder Feststoffe anheben kann. In dieser neuen Maschine erzeugen Elektronen, die durch eine ähnliche verdrehte Struktur fließen, ein Drehmoment, das die Rotation bewirkt. Diese Bewegung hängt nicht mehr von externen mechanischen Werkzeugen ab, sondern wird durch den Strom selbst angetrieben.
Das zentrale Element des Motors ist ein spiralförmiges Molekül mit Disulfid-Acetylgruppen (13), das speziell von einem Team um Michael Pritzkow von der Universität Kopenhagen synthetisiert wurde. Dieses Molekül ist nur wenige Nanometer groß und kann über Schwefelatome an einer Goldoberfläche haften. Forscher des Weizmann Institute of Science in Israel, geleitet von Oren Tal und Anil Kumar Singh, verbanden ein einzelnes Molekül zwischen zwei extrem feinen Goldspitzen. Diese Elektroden bieten einen Weg für den Strom durch das Molekül. Durch Anpassung des Abstands zwischen den Spitzen kann das Team die molekulare Struktur dehnen oder komprimieren und die Spannung verändern, bei der die Stromverstärkung einsetzt.
Als die Forscher Spannung anlegten, erlebte das Molekül eine klare Richtungsvorliebe in der zyklischen Bewegung. Eine Umkehrung der Polarität der Spannung kehrte die Rotationsrichtung um. Dies ermöglichte es dem Team, die Bewegung des Motors ohne physische Eingriffe zu steuern. Diese Bewegung wird durch Kräfte verursacht, die durch den Strom hervorgerufen werden: Während Elektronen durch das spiralförmige Molekül fließen, übertragen sie Drehimpuls auf das Molekül. Die Chiralität des Moleküls hilft, die Rotationsrichtung zu bestimmen, ähnlich wie die Gewinde eines traditionellen Schraubens die Fortschrittsrichtung bestimmen. Die Forscher bewiesen, dass die Richtung durch Umkehrung der Polarität der Spannung geändert werden kann.
Erstaunliche Effekte der molekularen Leitfähigkeit
Andere Forscher haben ebenfalls DNA-basierte molekulare Nanomaschinen entwickelt, obwohl sie unterschiedliche Energiequellen zur Erzeugung von Bewegung nutzen. Die Autoren der Studie beobachteten auch einen erstaunlichen elektrischen Effekt: Sobald das Molekül zu rotieren beginnt, kann der Strom drastisch ansteigen. Um die Gründe dafür zu verstehen, führten sie Quantenmechanik-Simulationen auf dem LiCCA-Supercomputer durch. Ihre Berechnungen zeigten, dass die Leitfähigkeit des Moleküls bei unterschiedlichen Rotationswinkeln stark variiert. Mit der Rotation kann es Konfigurationen erreichen, die den Elektronen einen leichteren Fluss ermöglichen, was zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit um bis zu zwei Größenordnungen, etwa 100-fach, führt.
Leon Martin, einer der Forscher, erklärt: „Es ist erstaunlich, dass die Leitfähigkeit des Moleküls im Ruhezustand am besten ist. Nur durch Rotation können diese Positionen erreicht werden.“ Anschließend entwickelten die Forscher ein vereinfachtes Modell, das die beobachtete Rotation und Stromverstärkung nachbildete. Ihre Berechnungen sagten auch voraus, dass das Molekül bei Überschreitung eines bestimmten Schwellenwerts von einer schrittweisen Bewegung in eine kontinuierliche Rotation übergehen kann. Diese Berechnungen sind Teil einer breiteren Anstrengung, um zu verstehen, warum molekulare Simulationen weiterhin herausfordernd sind. Einer der Autoren der Studie, Yuta Ito, erklärt: „Im Experiment können Sie nur den Strom sehen.
Unsere Berechnungen ermöglichen es uns, einen Einblick in das zu gewinnen, was im Inneren der Nanokontakte geschieht.“
Potenzial für zukünftige Anwendungen
Diese Entdeckungen könnten Forschern helfen, molekulare elektronische Bauteile, Spintronik-Geräte (die Elektronenspin zur Informationsverarbeitung nutzen) und mikroskopische Flüssigkeitsmanipulationssysteme zu entwickeln. Sie bieten auch einen Ansatz zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen mechanischer Bewegung und elektrischer Übertragung auf molekularer Ebene. Das Gerät bleibt jedoch ein experimentelles Prototyp, das auf einem einzelnen Molekül zwischen Gold-Elektroden basiert, dessen Leistung in praktischen Anwendungen noch nicht etabliert ist, und die vorgeschlagenen Anwendungen bleiben Möglichkeiten und keine empirischen Anwendungen. Weitere Forschung ist erforderlich, um das Verhalten des Motors unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu bestimmen und ob dieses Prinzip in funktionale molekulare Technologien integriert werden kann.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.
Artikel Spezifikationen Kernmolekül Disulfid-Acetyl-funktionalisiertes spiralförmiges Molekül Stromverstärkung Bis zu 100-fach Kontrolle der Rotationsrichtung 100% Richtungsvorliebe
Potenzielle Auswirkungen der Mikromotor-Technologie
Diese Forschung zeigt, wie mechanische Bewegung und elektrischer Strom auf molekularer Ebene gekoppelt werden können und bietet neue Ansätze für Fortschritte in der Moleküle Elektronik. Durch das alte Prinzip der Archimedes-Schnecke haben die Forscher erfolgreich elektrischen Strom in Rotationsbewegung umgewandelt und den Strom weiter verstärkt, was für die Entwicklung zukünftiger elektronischer Bauteile und mikroskopischer Flüssigkeitssysteme von großer Bedeutung ist. Obwohl sich das Ganze noch im Prototyp-Stadium befindet, ebnen diese Entdeckungen den Weg für weitere Erkundungen funktionaler molekularer Technologien und zeigen das breite Anwendungspotenzial im Bereich der Nanotechnologie in der Zukunft.