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Quantenphysik Kleinster Motor der Welt ermöglicht Energiegewinnung im Nanobereich

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Er misst nicht einmal einen Nanometer – er ist also rund 100.000-mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haars. Die Rede ist vom kleinsten, molekularen Motor der Welt, entwickelt von Forschern an der Empa und EPFL.

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Ein Motor, der nur aus 16 Atomen besteht: Atomares Strukturmodel eine einzelnen 4-atomigen Acetylen-Rotors (grau-weisse Kugeln) auf der chiral (d.h. händischen) PdGa Oberfläche (blaue Kugel = Palladium, rote Kugeln = Gallium).
Ein Motor, der nur aus 16 Atomen besteht: Atomares Strukturmodel eine einzelnen 4-atomigen Acetylen-Rotors (grau-weisse Kugeln) auf der chiral (d.h. händischen) PdGa Oberfläche (blaue Kugel = Palladium, rote Kugeln = Gallium).
(Bild: Empa)

Ein Forschungsteam der Empa und der EPFL hat einen molekularen Motor entwickelt, der aus nur 16 Atomen besteht. „Damit sind wir nahe am absoluten Größenlimit für molekulare Motoren“, erklärt Oliver Gröning, Leiter der Forschungsgruppe für funktionelle Oberflächen an der Empa. Der Motor misst nicht einmal einen Nanometer – er ist also rund 100.000-mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haars. Dieser Motor könnte die Energiegewinnung auf atomarer Ebene möglich machen.

Wie funktioniert der molekulare Motor?

(Bildquelle: MyosinVI 2V26 / EAS / CC BY-SA 3.0 / en.wikipedia.org)

Eine molekulare Maschine funktioniert im Prinzip ähnlich wie ihr Gegenstück in der Makrowelt: Er wandelt Energie in eine gerichtete Bewegung um. Auch in der Natur existieren solche molekularen Motoren – etwa in der Form von Myosinen. Myosine sind Motorproteine, die in Lebewesen eine wichtige Rolle bei der Muskelkontraktion und beim Transport von anderen Molekülen zwischen den Zellen spielen.

So gelingt die Energiegewinnung im Nanobereich

Der molekulare Motor besteht, wie ein Motor im Großformat, aus einem Stator und einem Rotor, also einem fixen und einem beweglichen Teil. Der Rotor dreht sich auf der Oberfläche des Stators. Er kann dabei sechs unterschiedliche Positionen einnehmen. „Damit ein Motor tatsächlich nützliche Arbeit verrichten kann, ist zentral, dass der Stator dem Rotor erlaubt, sich nur in eine Richtung zu bewegen“, erklärt Gröning.

Die Energie, die den Motor antreibt, kann aus einer zufälligen Richtung kommen. Deshalb muss der Motor selbst die Drehrichtung vorgeben. Dies geschieht genau umgekehrt wie bei einer Ratsche in der makroskopischen Welt mit ihrem asymmetrisch gezackten Zahnrad: Währen die Sperrklinke bei einer Ratsche die flache Kante hochfährt und in Richtung der steilen Kante sperrt, braucht die atomare Variante weniger Energie, um an der steilen Kante des Zahnrads hochzufahren, als an der flachen Kante.

Die Bewegung in die 'Sperrrichtung' ist daher bevorzugt und die Bewegung in 'Laufrichtung' viel unwahrscheinlicher. Die Bewegung ist also praktisch nur in eine Richtung möglich.

Rastertunnelelektronenmikroskopische Aufnahmen (ca. 50-millionenfache Vergrösserung) des hantel-förmigen Acetylen-Rotor Moleküls in 3 verschieden Rotationzuständen. Unten die atomaren Strukturen von Stator (blau-rot) und dem Acetylen-Rotor (grau-weiss).
Rastertunnelelektronenmikroskopische Aufnahmen (ca. 50-millionenfache Vergrösserung) des hantel-förmigen Acetylen-Rotor Moleküls in 3 verschieden Rotationzuständen. Unten die atomaren Strukturen von Stator (blau-rot) und dem Acetylen-Rotor (grau-weiss).
(Bild: Empa)

Motor besitzt Drehrichtungstreue von 99 %

Dieses „umgekehrte“ Rätschenprinzip haben die Forschenden in einer minimalen Variante umgesetzt. Dafür verwendeten sie einen Stator mit einer grundsätzlich dreieckigen Struktur aus je sechs Palladium- und Galliumatomen. Das Besondere hierbei ist, dass diese Struktur zwar rotationssymmetrisch, nicht aber spiegelsymmetrisch ist.

Als Resultat kann der aus nur vier Atomen bestehende Rotor (ein symmetrisches Acetylenmolekül) fortlaufend drehen, wobei allerdings die Rotation im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeiger unterschiedlich ablaufen müssen. „Der Motor weist deshalb eine Drehrichtungstreue von 99 % auf, was ihn von anderen ähnlichen molekularen Motoren unterscheidet“, sagt Gröning. Damit öffnet der molekulare Motor einen Weg zur Energiegewinnung auf atomarer Ebene.

Motor läuft mit Wärmeenergie oder mit elektrischer Energie

Der winzige Motor kann sowohl mit Wärmeenergie als auch mit elektrischer Energie betrieben werden. Die Wärmeenergie sorgt dafür, dass die gerichtete Drehbewegung des Motors in Rotationen in zufällige Richtungen übergeht. So dreht sich der Rotor bei Raumtemperatur mit mehreren Millionen Umdrehungen pro Sekunde komplett zufällig hin und her.

Dagegen kann elektrische Energie, die durch ein Elektronenrastermikroskop, von dessen Spitze ein kleiner Strom in den Motoren fließt, wieder gerichtete Drehungen herbeiführen. Die Energie eines einzelnen Elektrons reicht dabei aus, um den Rotoren gerade um eine Sechstelumdrehung weiterlaufen zu lassen. Dabei gilt : Je höher die zugeführte Energiemenge, desto höher die Bewegungsfrequenz – doch zugleich wird es umso wahrscheinlicher, dass sich der Rotor in eine zufällige Drehrichtung bewegt, da er mit zu viel Energie die Sperrklinke auch in der „falschen“ Richtung überwinden kann.

Mindestenergiemenge ist notwendig

Gemäß den Gesetzen der klassischen Physik gibt es allerdings eine Mindestenergiemenge, die notwendig ist, um den Rotor gegen den Widerstand der Ratsche überhaupt erst in Bewegung zu setzen; reicht die zugeführte elektrische oder thermische Energie dafür nicht aus, müsste der der Rotor folglich stehenbleiben. Überraschenderweise konnten die Forschenden aber auch unterhalb dieser Grenze – bei Temperaturen unter 17 Kelvin (-256° Celsius) beziehungsweise einer angelegten Spannung von unter 30 Millivolt – eine unabhängig gleichbleibende Rotationsfrequenz in eine Richtung beobachten.

Von der klassischen Physik zur Quantenwelt

Laut den Regeln der Quantenphysik können an diesem Punkt Teilchen „tunneln“ – das heißt, der Rotor kann die Ratsche auch dann noch überwinden, wenn seine Bewegungsenergie im klassischen Sinn nicht ausreicht.

Diese Tunnelbewegung verläuft normalerweise ohne jeglichen Energieverlust. Theoretisch müssten also in diesem Bereich beide Drehrichtungen gleich wahrscheinlich sein. Doch der Motor dreht sich weiterhin mit 99%-iger Wahrscheinlichkeit in dieselbe Richtung. „Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie in einem abgeschlossenen System niemals abnehmen kann. In anderen Worten: Wenn beim Tunneln keine Energie verloren geht, müsste die Drehrichtung des Motors rein zufällig sein. Dass die Drehung des Motors nach wie vor fast ausschließlich in eine Richtung abläuft, deutet also darauf hin, dass auch bei der Tunnelbewegung ein Energieverlust stattfindet“, so Gröning.

Geringer Energieverlust beim Tunneln

Üblicherweise geht man davon aus, dass beim Tunneln keine Reibung entsteht. Gleichzeitig wird dem System aber auch keine Energie zugeführt. Wie kann es also sein, dass der Rotor immer in dieselbe Richtung dreht? Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik lässt keine Ausnahmen zu – die einzige Erklärung ist also, dass beim Tunneln ein Energieverlust, wenn auch ein extrem kleiner, stattfindet. Gröning und sein Team haben also nicht nur ein Spielzeug für Molekularbastler entwickelt. „Der Motor könnte es uns ermöglichen, die Vorgänge und Gründe von Energiedissipation bei Quantentunnelvorgängen zu untersuchen“, so der Empa-Forscher.

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