Eine mikroskopische Archimedes-Schraube dreht sich zwischen Goldspitzen und erhöht die Leitfähigkeit
Ein internationales Forschungsteam hat einen durch elektrischen Strom angetriebenen molekularen Motor gebaut, der die Leitfähigkeit um bis zu hundertfach steigert.
Von Giovanni Sapere
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Physiker und Chemiker in Deutschland, Dänemark und Israel haben einen elektrisch angetriebenen molekularen Motor nach dem Spiralprinzip der Archimedes-Schraube gebaut. Die Erfindung aus einem einzigen Molekül, die zwischen zwei Goldspitzen in atomarem Maßstab aufgehängt ist, dreht sich kontinuierlich, wenn Strom durch sie fließt, und kehrt ihre Richtung um, wenn sich die elektrische Polarität umkehrt. Durch die Messung des Elektronentransports und die Modellierung von Quantenzuständen entdeckten die Forscher, dass die Drehbewegung die elektrische Leitfähigkeit um bis zu 100 Mal erhöht.
Ein zwei Jahrtausende alter Mechanismus im atomaren Maßstab
Die klassische Archimedes-Schraube befördert Wasser nach oben, indem sie einen geneigten, rotierenden Zylinder nutzt. In einer über die Universität Augsburg veröffentlichten Studie haben Wissenschaftler dieses mechanische Prinzip übernommen, um eine Erfindung mit einer Größe von wenigen Millionstelmillimetern zu bauen. Statt Flüssigkeiten zu heben, wandelt dieses spiralförmige Molekül den Fluss von Elektronen in mechanische Rotation um.
Künstliche molekulare Motoren wurden erstmals 2011 mit elektrischer Energie betrieben, doch diese frühen Versionen saßen auf flachen Oberflächen und benötigten eine Spitze eines Rastertunnelmikroskops, um eine Bewegung auszulösen. Das neue Design verbindet eine freistehende molekulare Brücke zwischen zwei feststehenden Elektroden. Diese Architektur macht das Molekül zu einem eigenständigen elektrischen Aktuator und bringt die grundlegende Innovation in der Nanomechanik voran.
„Das Überraschende ist, dass gerade die Positionen, die das Molekül in Ruhe meidet, den Strom am besten leiten. Erst die Rotation macht diese Positionen zugänglich.“
— Léon Martin, Doktorand an der Universität Augsburg
Gold-Elektroden und rotierende Elektronen
Der Motor beruht auf einem eigens hergestellten helikalen Molekül, das von der Forschungsgruppe von Prof. Michael Pittelkow an der Universität Kopenhagen synthetisiert wurde. Die Struktur verankert sich über endständige Schwefelatome an metallischen Kontakten. Am Weizmann Institute of Science in Israel positionierten Prof. Oren Tal und Dr. Anil Kumar Singh einzelne Moleküle über einem Übergang zwischen zwei zugespitzten Goldspitzen.
Das Team stellte den Abstand zwischen den Elektroden ein, um die molekulare Schraube zu stauchen oder zu strecken. Als die Forscher eine Spannung über einen bestimmten Schwellenwert anlegten, übertrugen die durch die Spirale fließenden Elektronen Drehimpuls auf das molekulare Gerüst und setzten so die Rotation in Gang. Eine Umkehr der Spannungspolarität kehrte die Drehrichtung um, was der Reaktion von rechts- und linksgängigen mechanischen Gewinden auf eine gerichtete Strömung entspricht.
Supercomputer-Modelle decken einen hundertfachen Anstieg der Leitfähigkeit auf
Während der Versuchsläufe leitete das rotierende Molekül elektrischen Strom deutlich besser als im Ruhezustand. Um die Physik hinter diesem Verhalten zu verstehen, führten Prof. Dr. Fabian Pauly sowie die Doktoranden Léon Martin und Yuta Ito an der Universität Augsburg quantenmechanische Simulationen auf dem LiCCA-Supercomputer durch.
Die Berechnungen bestätigten, dass sich die Leitfähigkeit mit der Ausrichtung der Spirale drastisch ändert und während der aktiven Rotation um das 100-Fache ansteigt. Die simulierten Ergebnisse wurden gemeinsam mit den theoretischen Physikern Per Hedegård vom Niels-Bohr-Institut und Jing-Tao Lü von der Huazhong University of Science and Technology zu einem theoretischen Rahmen weiterentwickelt. Das Modell belegte, dass die Rotation das Molekül durch geometrische Zustände hoher Leitfähigkeit treibt, die es im Ruhezustand normalerweise meidet. Damit zeigte sich, dass mechanische Bewegung den elektrischen Transport über einen Einzelmolekül-Übergang direkt modulieren kann, was neue Grenzen für die Nanorobotik eröffnet.
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