Faszination Technik Das kleinste Zahnrad der Welt

Quelle: FAU / Redakteur: Dorothee Quitter

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: ein Nano-Getriebe, das aus nur 71 Atomen besteht und sich gezielt steuern lässt.

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Forschern der Universität Erlangen-Nürnberg ist es gelungen, das kleinste energiegetriebene Zahnrad der Welt mit entsprechendem Gegenstück zu entwickeln. Es ist ist nur 1,6 nm groß und lässt sich durch Lichtenergie antreiben.
Forschern der Universität Erlangen-Nürnberg ist es gelungen, das kleinste energiegetriebene Zahnrad der Welt mit entsprechendem Gegenstück zu entwickeln. Es ist ist nur 1,6 nm groß und lässt sich durch Lichtenergie antreiben.
(Bild: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg)

Nach der Miniaturisierung von Bauteilen forschen Wissenschaftler heute im Nanobereich, um sogenannte molekulare Maschinen zu bauen. Bereits 2016 wurde der Chemie-Nobelpreis an dieses neue Forschungsfeld vergeben. Damals wurden ein Molekül-Muskel, ein molekularer Aufzug und ein vierrädriges Auto auf molekularer Basis ausgezeichnet.

Ein Getriebe als Nanokomponente

Einige wichtige Bauteile für molekulare Maschinen gibt es bereits auf Nanoebene: Schalter, Rotoren oder Motoren. Auch Zahnräder gibt es, jedoch bewegen sich ihre molekularen Gegenstücke bisher nur passiv zufällig vor und zurück. Einem Forschungsteam der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ist es nun gelungen, ein Nano-Getriebe zu entwickeln, das sich erstmals auch aktiv steuern und antreiben lässt.

Laut FAU besteht das Getriebe aus zwei Komponenten, die miteinander verzahnt und aus lediglich 71 Atomen zusammengesetzt sind. Das Zahnrad ist nur 1,6 nm groß – das entspricht etwa einem 50.000stel der Dicke eines menschlichen Haares – und ist damit ein Miniaturrekord. Es besteht aus einem Thioindigo-Molekül und hat die Form eines Kegelrades. Das entsprechende Gegenstück ist ein Triptycen-Molekül und erinnert an einen Propeller oder ein Schaufelrad.

Zahnrad wird durch Licht gesteuert

Mit dieser Entwicklung gelang es erstmals, ein molekulares Zahnrad und sein Gegenstück gezielt anzutreiben: Dreht sich das Thioindigo-Kegelrad um 180 Grad, wird der Triptycen-Propeller nur um 120 Grad weitergedreht. Das Ergebnis ist eine 2:3-Übersetzung.

Nach Angaben der FAU wird das Nano-Getriebe durch Licht gesteuert, es ist also ein molekulares Photo-Getriebe. Durch die Lichtenergie direkt angetrieben, bewegen sich das Zahnrad und sein Gegenstück zur gleichen Zeit gekoppelt miteinander. Wärme allein reiche dagegen nicht aus um die Zahnradbewegung zu erzeugen – hier rutscht das Getriebe durch.

Zur Originalpublikation im Fachmagazin Nature Chemistry

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