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Chemie-Nobelpreis für Nano-Baumeister​

(06.10.2016) Wenn am 10. Dezember 2016 in Stockholm der Nobel-Preis für Chemie vergeben wird, werden drei Wissenschaftler für ihre bahnbrechende Arbeit im Nanokosmos geehrt: Sie legten den Grundstein für den Bau von Nano-Maschinen.

Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften vergibt den Nobel-Preis für Chemie in diesem Jahr an Jean-Pierre Sauvage, Sir Fraser Stoddart, Bernard L. Feringa für die Entwicklung molekularer Maschinen. Dabei handelt es sich um gezielt aufgebaute chemische Verbindungen, die selbst nur wenige Nanometer groß  und wie winzige Motoren in der Lage sind, Energie in mechanische Bewegung umzuwandeln.

Nano-Ingenieure
Den Anfang dafür machte Jean-Pierre Sauvage (Universität Straßburg, Frankreich) schon im Jahr 1983, als es ihm gelang, mit Hilfe eines elektrisch geladenen Kupferteilchens, zwei ringförmige Moleküle in mehreren Schritten wie in einer Kette miteinander zu verhaken. Er gewann auf diese Weise eine Einheit aus zwei Molekülringen, die zugleich fest und gegeneinander beweglich verbunden sind.

Dies war die Grundlage für Fraser Stoddart (Northwestern Universität, Illinois, USA), der im Jahr 1991 erfolgreich einen Molekülring an einem stabförmigen Molekül befestigte, wie ein Rad an einer Radachse. Angetrieben durch Hitze und elektrische Ladung konnte sich dieser Ring an der Achse kontrolliert auf- und abbewegen. Mit dieser Art von Molekülen (sog. Rotaxanen) baute Stoddart im Folgenden nano-kleine Fasern, die wie Muskeln ein winziges Goldplättchen biegen konnten sowie einen molekularen Speicherchip.

Das 4 x 2 Nanometer kleine Molekül-Auto fährt auf seinen elektrisch angetriebenen Rädern über eine Kupferoberfläche. Bild: Empa 2011

Den ersten Nano-Roboter baute schließlich Bernard L. Feringa (Universität Groningen, Niederlande). Im Jahr 1999 drehte sich seine molekulare Maschine, angetrieben durch Hitze und Licht, erstmals kontrolliert und dauerhaft in dieselbe Richtung. Inzwischen kommt er 12 Millionen Umdrehungen pro Sekunde und kann damit sehr viel größere Glaszylinder bewegen. Feringa war es auch, der im Jahr 2011 das berühmte "Nano-Auto" vorstellen konnte. Dabei handelte es sich um ein einziges Molekül aus vier kontrolliert beweglichen Teilen, das sich auf einer Kupferoberfläche bewegte. Den elektrischen Impuls für den Antrieb lieferte die Spitze eines Rastertunnelmikroskops, gesteuert vom Leiter der Empa Forschungsgruppe "Molecular Surface Science" der Empa.

Werkzeugkasten für die Forschung
Die drei nun ausgezeichneten Chemiker legten den Grundstein dafür, dass die Vorhersage eines anderen Nobelpreisträgers wahr werden kann. Richard Feynman, Physik-Nobelpreisträger von 1965 und Vordenker der Nanotechnologien, war überzeugt, dass es Menschen eines Tages möglich sein würde, molekulare Maschinen nach dem Vorbild der Natur zu bauen. Maßgeschneiderte Nano-Maschinen, wie sie Sauvage, Stoddart und Feringa möglich machten, sind nun die Basis für neue Erkenntnisse über die Funktionsweise natürlicher Molekül-Motoren, wie sie beispielsweise in Muskeln oder den Fortbewegungseinheiten von Bakterien existieren.

Mehr erfahren
Den wissenschaftlichen Hintergrund zur Leistung der Nobelpreisträger hat die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften (englisch) zusammengefasst: www.nobelprize.org

Wer genauer wissen will, wie so eine Nano-Maschine funktioniert, bekommt in diesem Video eine anschauliche Erklärung (englisch).

Hilfreiche grafische Erläuterungen (deutsch) bietet dieser Artikel aus der WELT.

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