Chemie-Nobelpreis 2016 für molekulare Maschinen

Bild: The Royal Swedish Aacademy of Sciences

Die kleinsten von Menschen gebauten Maschinen sind eintausend mal dünner als ein menschliches Haar – denn es sind Moleküle. Durch Licht angetriebene Motoren die sich zwölftausend mal pro Sekunde drehen, winzige steuerbare Aufzüge und Shuttle-Systeme, molekulare Muskeln, ja selbst Autos und Computerchips wurden in den vergangenen Jahren in Labors synthetisiert.

Der diesjährige Nobelpreis für Chemie geht an die Begründer des „Molekularen Maschinenbaus“ Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart und Bernard L. Feringa „für ihre Entwicklung molekularer Maschinen, die eintausend mal dünner als ein Haar sind.“

Jean-Pierre Sauvage: Bewegliche Bauteile

Mechanische Bindung: Beweglich verbundene Teile sind eine Voraussetzung zum Bau von Maschinen. Den Chemikern um Jean-Pierre Sauvage gelang dieser Schritt vor 33 Jahren. Sie begründeten damit die neue Disziplin der "chemischen Topologie". Bild: nobelprize.org
Beweglich verbundene Teile sind eine Voraussetzung zum Bau von Maschinen. Den Chemikern um Jean-Pierre Sauvage gelang dieser Schritt vor 33 Jahren in guten Ausbeuten. Bild: nobelprize.org

Jede Maschine besteht aus beweglichen Teilen und einem Mechanismus, der Energie in gerichtete Bewegung umwandelt. Die erste Hürde wurde vor 33 Jahren genommen, als die Forschergruppe von Jean-Pierre Sauvage zwei ringförmige Moleküle zu einer Kette verband. Dabei wendeten sie einen Trick an: Ein Kupfer-Ion hielt den ersten Ring mit einem halbkreisförmigen zweiten Molekül zusammen. An dieses wurde dann durch chemische Bindung ein drittes, ebenfalls halbkreisförmiges Molekül angebracht, so dass am Ende zwei Ringe entstanden, die mit mechanisch einander verbunden waren.

Diese Entdeckung der „mechanischen Bindung“ zweier Moleküle markiert den Beginn einer neuen Disziplin, der sogenannten „chemischen Topologie“. Den Forschern gelang es bald, die Verbindungen in guten Ausbeuten herzustellen, was die Voraussetzung für ihre weitere Entwicklung war. In der Folge wurden die Methoden weiterentwickelt und Sauvage und seine Mitarbeiter stellten komplexere, bewegliche Konstrukte her, wie Ketten mit drei Gliedern, dreiarmige Knoten und Salomonsknoten.

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Verwobene Moleküle: Neben Ketten mit drei Gliedern (a) wurden auch dreiarmige Knoten (b) und Salomonknoten (c) in Labors hergestellt. Bild: nobelprize.org

 

Sir James Fraser Stoddart: Gerichtete Bewegung

Der nächste Meilenstein wurde im Jahr 1991 erreicht als die Forscher um Sir James Fraser Stoddart zum ersten Mal die sogenannte „translationale Isomerie“ aufzeigen: Ein ringförmiges Molekül, das sich auf einem stabförmigen anderen Molekül hin und her bewegt.

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Shuttle-System: Ein langes Molekül dient als Schiene, auf dem sich ein Ring hin- und herbewegt. Vorstellbar ist der Einsatz als Schalter, Informationsspeicher oder als Transporter. Bild: nobelprize.org

Ben Feringa: Moleküle als Motoren

Nachdem die Maschinenteile verbunden werden konnten und es geschafft war, eine gerichtete Bewegung vorzugeben, fehlte der Motor. Diesen entwickelten die Forscher um Bernard (Ben) L. Feringa mittels sogenannten „überbevölkerten Alkenen“ die sich durch eine Asymmetrie in eine vorgegebene Richtung bewegen wenn sie mit Licht angestrahlt werden.

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Das erste molekulare E-Auto benutzt vier Motoren als Räder. Bild: nobelprize.org

Vor fünf Jahren schließlich bauten die Wissenschafter um Ben Feringa das erste molekulare Elektro-Auto, das sich auf einer Metalloberfläche bewegte.

Neben beweglichen molekularen Kettengliedern und fahrenden Nano-Autos wurden auch kleine Plattformen entwickelt, die sich an einer Führung um 0,7 Nanometer nach oben bewegen können. Andere molekulare Konstrukte können sich durch einen chemischen Schalter wie ein Muskel zusammenziehen. Aber die molekulare Maschinerie kann noch mehr: Stoddart entwickelte mit Kollegen zusammen elektronische Bauteile, die auf seinen Molekülen basieren. Vor neun Jahren stellten die Teams ein molekulares Datenspeichersystem vor mit einer Kapazität von 160 Kilobit und einer Speicherdichte von 100 Gigabit pro Quadratzentimeter.

Wann kommen die Nano-Roboter?

Im Vergleich zu den großen Maschinen die mit der Industriellen Revolution unser Leben komplett veränderten, steckt die Entwicklung der Maschinenmoleküle immer noch in den Kinderschuhen. Durch die Arbeit der Preisträger und derer, die sie inspiriert haben, stehen wir wahrscheinlich am Beginn einer neuen Industriellen Revolution des 21. Jahrhunderts. Durch die Kombination von molekularen Schaltkreisen und mechanischen Bauteilen wird die Chemie wahrscheinlich bald die ersten Molekülsysteme programmieren und die Wissenschaft um eine neue Disziplin – die der „molekularen Robotik“ – erweitert.

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