Revolution in der Nanotechnologie! Wissenschaftler schaffen die kleinste molekulare Maschine der Geschichte

Dieses Gerät, das so klein ist, dass es sich dem Blick jedes Mikroskops entzieht, hat das Potenzial, Bereiche wie die personalisierte Medizin und Quantengeräte zu revolutionieren.

Molekulare Maschinen.
Um diesen wichtigen Durchbruch zu erzielen, haben die Forscher beschrieben, wie sie Ferrocenmoleküle stabilisieren können - ein wichtiger Fortschritt in der molekularen Nanotechnologie.

Wenn wir eine Maschine auf die Größe eines Atoms verkleinern könnten , wäre es dann möglich, sie zum Laufen zu bringen? Die Antwort ist heute ein klares Ja. Ein Wissenschaftlerteam hat eine molekulare Maschine gebaut, die so klein ist, dass sie dem Bau eines Uhrwerksin einer Zelle entspricht. Diese revolutionäre Errungenschaft öffnet die Türen zu einer Welt voller Möglichkeiten in der Nanotechnologie.

Die in der Zeitschrift Small veröffentlichte Forschungsarbeit unter der Leitung von Professor Toyo Kazu Yamada von der Universität Chiba in Japan zeigt, wie sein Team eine Maschine gebaut hat, die so winzig ist, dass sie selbst den Linsen der stärksten Mikroskope entgeht.

Das Herzstück der Maschine: Ferrocen

Eine molekulare Maschine ist im Wesentlichen ein Gerät im Nanomaßstab, das so klein ist, dass es aus nur wenigen Molekülen besteht.

Diese sorgfältig entworfenen Moleküle können als Reaktion auf äußere Reize, wie Licht oder elektrischen Strom, bestimmte Bewegungen ausführen.

Der Schlüssel zu diesem Durchbruch war die Verwendung von Ferrocen, einem vielversprechenden Molekül, das ein großes Problem hatte: Es zersetzte sich, wenn es mit Metalloberflächen in Berührung kam. Das war ein bisschen wie ein Eiswürfel, der sofort zu schmelzen begann, wenn er in eine heiße Pfanne gelegt wurde.

Um dieses Problem zu lösen, wendeten die Forscher eine Strategie an, die einer Isolierschicht auf Eis ähnelt, die den direkten Kontakt mit Wärme verhindert. Sie fügten dem Ferrocen Ammoniumsalze hinzu und schufen so eine widerstandsfähigere Version namens Ammoniumferrocen.

Anschließend umhüllten sie diese Moleküle mit einem Schutzfilm (Kronenether), der als Schutzschild zwischen dem Ferrocen und dem Metall fungiert, so dass die molekulare Maschine funktionieren kann, ohne zu zerfallen.

Der perfekte Umzug

Seit seiner Entdeckung, für die 1973 der Nobelpreis für Chemie verliehen wurde, war Ferrocen Gegenstand zahlreicher Studien. Seine praktischen Anwendungen waren jedoch durch seine Instabilität unter realen Bedingungen begrenzt. Dank dieses Durchbruchs ist dieses Hindernis nun überwunden.

Stellen Sie sich vor, Sie hätten eine Fernsteuerung für ein Molekül. Auf diese Weise manipulieren Wissenschaftler Ferrocen. Mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops können sie einen präzisen elektrischen Strom an das Molekül anlegen und es so in eine Drehbewegung versetzen.

Kristalle von Ferrocen.
Ferrocen ist ein Molekül, das aus einem Eisenatom zwischen zwei Kohlenstoffringen besteht. Dank seiner Struktur kann es seinen elektronischen Zustand ändern und eine Drehung der Ringe um 36° bewirken, wodurch es wie ein winziger molekularer Motor wirkt.

Ein Rastertunnelmikroskop ist ein Instrument, das mit Hilfe von Elektronen die Oberfläche von Objekten auf atomarer Ebene abtastet und so extrem kleine Details sichtbar macht, die mit anderen Mikroskopen nicht zu sehen sind. Dieser ganze Mechanismus ist wie das Drehen eines winzigen Propellers, aber mit einer so präzisen Steuerung, dass man ihn mit dem Einstellen des Zeigers einer Uhr vergleichen könnte. Diese Fähigkeit, Bewegungen auf atomarer Ebene zu steuern, ist ein Meilenstein in der Nanotechnologie.

Eine Welt der Möglichkeiten auf atomarer Ebene

Die Möglichkeiten, die diese molekularen Maschinen bieten, sind enorm. In der Medizin könnten sie eingesetzt werden, um Medikamente direkt an bestimmte Zellen zu bringen und so die Wirksamkeit von Behandlungen zu erhöhen und Nebenwirkungen zu verringern.

Sie könnten auch eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung intelligenter Materialien spielen, die auf äußere Reize reagieren.

Ein weiterer vielversprechender Bereich ist die Quanteninformatik. Die elektronischen Eigenschaften von Ferrocen machen es zu einem idealen Kandidaten für die Entwicklung von Systemen zur Speicherung und Verarbeitung von Informationen im Quantenmaßstab.

„Dieser Durchbruch bringt uns dem Tag näher, an dem molekulare Maschinen alltägliche Werkzeuge sein werden“. Toyo Kazu Yamada, Leiter der Forschung.

Wenn der Bau eines Motors wie das Zusammensetzen eines Puzzles aus großen Teilen ist, so ist der Bau einer molekularen Maschine wie das Zusammensetzen aus Atomen. Diese Entdeckung ist nicht nur ein wissenschaftlicher Durchbruch, sondern auch das Tor zu einer Welt, in der molekulare Maschinen ganze Branchen verändern könnten. Mit diesem Durchbruch baut die Wissenschaft die Zukunft, Molekül für Molekül.

Quellenhinweis:

- Yamada T. et all. Reversible Sliding Motion by Hole-Injection in Ammonium-Linked Ferrocene, Electronically Decoupled from Noble Metal Substrate by Crown-Ether Template Layer. Small. (2024).

- University of Chile. World’s Smallest Molecular Machine: Reversible Sliding Motion in Ammonium-Linked Ferrocene. Chiba-u. (2024).