Die Schraube des Archimedes pumpt seit mehr als 2.000 Jahren Wasser bergauf. Jetzt hat ein internationales Forschungsteam ihr Prinzip auf ein einzelnes Molekül übertragen, das nur wenige Millionstel Millimeter lang ist. Das schraubenförmige Molekül hängt zwischen zwei Goldspitzen und dreht sich, sobald elektrischer Strom hindurchfließt, und zwar stets in dieselbe Richtung. Überschreitet die Spannung eine Schwelle, steigt der Strom durch das rotierende Molekül plötzlich auf bis zum Hundertfachen. Bisher funktioniert die winzige Maschine allerdings nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt.
Entwickelt hat den molekularen Motor ein Team um Anil Kumar Singh und Oren Tal vom Weizmann-Institut für Wissenschaften in Rehovot in Israel. Beteiligt waren außerdem Chemiker der Universität Kopenhagen, die das Molekül eigens für die Studie herstellten, sowie theoretische Physiker der Universität Augsburg, des Niels-Bohr-Instituts in Kopenhagen und der Huazhong University of Science and Technology in Wuhan. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature erschienen. Die Forscher sprechen vom Prototyp einer neuen Klasse molekularer Maschinen, die direkt vom Strom angetrieben werden.
Das Vorbild ist eine der ältesten dokumentierten Maschinen der Menschheit. Die Archimedische Schraube besteht im Kern aus einem schraubenförmig gewundenen Blatt, das sich um eine Achse dreht und dabei Wasser nach oben befördert. In umgekehrter Richtung arbeitet das Prinzip heute in kleinen Wasserkraftwerken: Dort strömt Wasser durch die Windungen und treibt die Schraube als Turbine an. Genau diese zweite Funktionsweise haben die Forscher nun im Nanomaßstab nachgebaut, nur fließen statt Wasser Elektronen durch die Windungen.
Herzstück der Maschine ist ein sogenanntes Helicen. Dieses Molekül besteht aus 13 ringförmigen Kohlenstoffeinheiten, die seitlich miteinander verbunden sind. Weil sich die Ringe gegenseitig im Weg stehen, kann das Molekül nicht flach liegen und windet sich zu einer Spirale, ähnlich einer Wendeltreppe. Solche Moleküle sind chiral, das heißt, es gibt sie in einer links- und einer rechtsgängigen Form, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Die Kopenhagener Chemiker um Michael Pittelkow versahen beide Enden des Moleküls mit Schwefelatomen, über die es sich fest an Gold binden lässt.
Am Weizmann-Institut spannten die Forscher einzelne dieser Moleküle zwischen zwei atomar feinen Goldspitzen auf. Den Abstand zwischen den Elektroden konnten sie in Schritten von weniger als 0,1 Nanometern verändern und das Molekül so gezielt strecken oder stauchen. Die Messungen fanden bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt statt, also bei rund minus 273 Grad Celsius. Bei dieser Kälte kommen Wärmebewegungen der Atome fast zum Erliegen, sodass sich die Wirkung des Stroms auf das Molekül sauber verfolgen lässt.
Als die Forscher eine Spannung an die Goldspitzen anlegten, beobachteten sie im Stromfluss eine wiederkehrende Abfolge von Sprüngen. Diese Abfolge verrät, dass sich das Molekül schrittweise dreht, von einer bevorzugten Stellung in die nächste. Entscheidend ist die Richtung. Laut der Studie zeigte die Bewegung eine hundertprozentige Vorzugsrichtung. Polten die Forscher die Spannung um, kehrte sich die Reihenfolge der Sprünge um, und das Molekül drehte sich in die Gegenrichtung.
Der Antrieb stammt von den Elektronen selbst. Wenn sie durch die gewundene Struktur des Helicens fließen, übertragen sie einen Drehimpuls auf das Molekül, ähnlich wie Wind die Flügel einer Windkraftanlage in Bewegung setzt. Welche Richtung herauskommt, legt die Windung fest, so wie bei einer Schraube mit Rechts- oder Linksgewinde. Dass Strom auf diese Weise ein Drehmoment auf schraubenförmige Moleküle ausüben könnte, hatten Theoretiker schon länger vorgeschlagen. In früheren Experimenten mit ähnlichen Molekülen zeigte sich der Effekt nach Einschätzung der Autoren aber nicht, vermutlich wegen Unterschieden im Aufbau und in der Betriebsweise.
Die größte Überraschung kam, als die Forscher die Spannung weiter erhöhten. Oberhalb einer bestimmten Schwelle stieg der Strom durch das Molekül sprunghaft an, um bis zu das Hundertfache. Nach den Berechnungen der Theoretiker geschieht das genau dann, wenn das Molekül von einzelnen Drehsprüngen in eine fortlaufende Rotation übergeht. Ein sich drehendes Molekül leitet also deutlich besser als ein ruhendes. „Diese Ergebnisse zeigen ein neues Funktionsprinzip für Nanomaschinen: Der elektrische Strom treibt die Drehung des Moleküls an, während die Drehung ihrerseits die Leitfähigkeit erhöht“, sagt Oren Tal laut einer Mitteilung des Weizmann-Instituts.
Auch die Schwelle, ab der der Strom so stark ansteigt, ließ sich steuern. Je nachdem, wie stark die Forscher das Molekül streckten oder stauchten, verschob sie sich. Tal vergleicht das mit dem Verstellen der Blätter einer Turbine. Damit verfügt die Maschine über zwei Stellgrößen: Die Spannung bestimmt Richtung und Tempo der Drehung, die mechanische Spannung im Molekül legt fest, wann der Stromfluss in die Höhe schnellt.
Um zu verstehen, was im Inneren des winzigen Kontakts geschieht, rechnete die Gruppe von Fabian Pauly an der Universität Augsburg das System quantenmechanisch auf einem Supercomputer nach. Die Simulationen zeigen, dass die Leitfähigkeit des Helicens stark vom Drehwinkel abhängt und sich je nach Stellung um bis zu zwei Größenordnungen unterscheidet. „Das Überraschende ist: Gerade die Stellungen, die das Molekül in Ruhe meidet, leiten den Strom am besten. Erst die Drehung macht diese Positionen zugänglich“, erklärt der Augsburger Doktorand Léon Martin in einer Mitteilung der Universität.
Ruht das Molekül, verharrt es in energetisch günstigen Positionen, die den Elektronen vergleichsweise wenig Durchlass bieten. Dreht es sich dagegen fortlaufend, durchläuft es auch die besonders gut leitenden Stellungen. Die Theoretiker Per Hedegård aus Kopenhagen und Jing-Tao Lü aus Wuhan entwickelten zusätzlich ein vereinfachtes Modell, das sowohl die gerichtete Drehung als auch den Stromanstieg aus den Experimenten wiedergibt. Nach diesem Modell entsteht die Drehung durch Kräfte, die der Strom selbst auf das Molekül ausübt, unterstützt von zufälligen Schwankungen.
Molekulare Maschinen gelten als nächster Schritt der Miniaturisierung. Ihre Vorbilder finden sich in lebenden Zellen, wo winzige molekulare Motoren Energie umwandeln und Bewegung erzeugen. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, solche Systeme künstlich nachzubauen, 2016 wurde dafür der Nobelpreis für Chemie vergeben. Forscher haben auf diesem Gebiet unter anderem einen Nano-Roboter gebaut, der Moleküle zu neuen Stoffen zusammensetzt.
Direkt durch Strom angetriebene molekulare Motoren gibt es seit 2011. Sie funktionierten bislang aber nur als Moleküle auf einer Oberfläche, angetrieben von der Spitze eines Rastertunnelmikroskops. Neu ist laut den Autoren, dass der Rotor fest zwischen zwei Metallelektroden eingebaut ist und sich seine Drehrichtung zuverlässig über die Polung steuern lässt. Dass die Händigkeit der Windung dabei die Richtung vorgibt, passt zu einem Forschungsfeld, das die Rolle links- und rechtshändiger Moleküle in Physik und Chemie untersucht.
Praktisch einsetzbar ist die molekulare Schraube noch nicht. Die Experimente liefen bei extremer Kälte und mit einzelnen Molekülen in einem aufwendigen Messaufbau. Ob sich der Effekt bei höheren Temperaturen erhalten lässt und wie viele solcher Kontakte sich zuverlässig herstellen ließen, ist offen. Die Forscher sehen ihr System deshalb als Prototyp, der ein neues Funktionsprinzip belegt, nicht als fertiges Bauteil.
Mögliche Anwendungen sehen die Beteiligten in der molekularen Elektronik, also in Schaltkreisen aus einzelnen Molekülen, sowie in der Spintronik, die neben der Ladung auch den Eigendrehimpuls von Elektronen zur Informationsverarbeitung nutzt. Auch für winzige Flüssigkeitssysteme könnten solche Rotoren interessant sein. „Wir haben gezeigt, dass sich mit Strom eine gerichtete Drehung erzeugen lässt und dass diese Drehung ihrerseits den Strom steuert. Das ist ein neues Funktionsprinzip für Maschinen an der äußersten Grenze der Miniaturisierung“, sagt Pauly. Damit verbindet ausgerechnet eine Erfindung aus der Antike die Mechanik mit der Elektronik an der kleinsten denkbaren Grenze.
Nature, Current-Driven Molecular Machine with Rotation-Enhanced Conductance; doi:10.1038/s41586-026-11312-x
Weizmann Institute of Science, Archimedes Screw: The Molecular Version
Universität Augsburg, Archimedische Schraube aus einem einzigen Molekül
Mit KI-Unterstützung erstellt
Wählen Sie Forschung und Wissen bei Google als bevorzugte Quelle oder folgen Sie uns per RSS-Feed.
