Forscher aus Augsburg entwickeln Molekularmotor mit – Stromfluss steigt um das Hundertfache dank 2000 Jahre alter Erfindung

Eine Erfindung aus der Antike könnte der Elektronik völlig neue Möglichkeiten eröffnen. Vor mehr als 2000 Jahren nutzten Menschen die archimedische Schraube, um Wasser nach oben zu befördern. Jetzt haben Physiker dieses Prinzip auf ein einziges Molekül übertragen. Der winzige Molekularmotor dreht sich durch elektrischen Strom und verändert dabei seine Leitfähigkeit. Sobald eine bestimmte Spannung erreicht ist, kann bis zu 100-mal mehr Strom durch das Molekül fließen. Sogar die Drehrichtung lässt sich elektrisch steuern.

An der Entwicklung waren Wissenschaftler der Universität Augsburg beteiligt. Mit quantenmechanischen Computersimulationen fanden sie heraus, warum der Stromfluss im Molekularmotor so stark ansteigt: Während der Drehung erreicht das Molekül Positionen, in denen Elektronen besonders leicht hindurchfließen können. Die Ergebnisse veröffentlichte das internationale Forschungsteam in der Fachzeitschrift Nature.

Helicen-Molekül funktioniert wie eine winzige Schraube

Für den Motor nutzten die Wissenschaftler ein sogenanntes Helicen-Molekül. Seine Atome bilden eine spiralförmige Struktur, vergleichbar mit dem Gewinde einer Schraube. Das Team um Michael Pittelkow von der Universität Kopenhagen stellte die Verbindung eigens für das Experiment her. Über Schwefelatome an den Enden lässt sich das Molekül an Goldoberflächen befestigen.

Am Weizmann Institute of Science in Israel spannten Oren Tal und Anil Kumar Singh einzelne dieser Moleküle zwischen zwei extrem feine Goldspitzen. Anschließend legten sie eine elektrische Spannung an. Die fließenden Elektronen übertrugen Drehimpuls auf die Molekülstruktur und versetzten sie in Bewegung. Anders als bei einem gewöhnlichen Elektromotor benötigte der winzige Antrieb dafür keine zusätzlichen mechanischen Bauteile.

Molekularmotor lässt sich gezielt in beide Richtungen drehen

Besonders ungewöhnlich war die Kontrolle über die Bewegung. Das Molekül drehte sich mit einer Richtungspräferenz von 100 Prozent. Durch Umpolen der Spannung konnten die Physiker die bevorzugte Drehrichtung umkehren. Die Molekülstruktur bestimmte dabei, in welche Richtung der elektrische Strom die Drehung antrieb.

Auch mechanisch ließ sich die Maschine beeinflussen. Die Wissenschaftler veränderten den Abstand der beiden Goldkontakte und streckten oder stauchten dadurch das Molekül. Dabei verschob sich die elektrische Spannung, ab der seine Leitfähigkeit deutlich zunahm.

Für das Verhalten der molekularen Schraube waren damit drei Eigenschaften entscheidend:

• Spannung: Der elektrische Strom erzeugt die Kräfte, die das Molekül in Drehung versetzen.
• Polarität: Die Richtung der angelegten Spannung bestimmt die bevorzugte Drehrichtung.
• Abstand der Goldkontakte: Durch Strecken oder Stauchen verändert sich die Spannungsschwelle für den starken Stromanstieg.

Augsburger Physiker berechnen die Bewegung einzelner Atome

An der Universität Augsburg untersuchten Fabian Pauly und seine Doktoranden León Martin und Yuta Ito das Verhalten des Motors mit quantenmechanischen Computersimulationen. Dafür nutzten sie den Hochleistungsrechner LiCCA. Die Berechnungen berücksichtigten, wie sich die räumliche Anordnung des Moleküls auf den Transport der Elektronen auswirkt.

Dabei erwiesen sich ausgerechnet jene Positionen als besonders leitfähig, die das Molekül ohne Drehbewegung kaum einnimmt. „Das Überraschende ist: Gerade die Stellungen, die das Molekül in Ruhe meidet, leiten den Strom am besten. Erst die Drehung macht diese Positionen zugänglich“, erklärt Martin.

Die Forscher konnten außerdem berechnen, wie sich die Bewegung mit zunehmender Spannung verändert. Bei niedrigeren Spannungen erfolgt die Rotation schrittweise. Wird eine bestimmte Schwelle überschritten, geht sie dem theoretischen Modell zufolge in eine kontinuierliche Drehung über. Das Molekül durchläuft dann fortlaufend unterschiedliche räumliche Anordnungen und erreicht dabei auch die besonders gut leitenden Positionen.

Computerberechnungen erklären den starken Stromanstieg

Gemeinsam mit Per Hedegård vom Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen und Jing-Tao Lü von der Huazhong University of Science and Technology in Wuhan entwickelten die Augsburger Physiker ein vereinfachtes theoretisches Modell. Es konnte sowohl die beobachtete zyklische Bewegung als auch den Anstieg des elektrischen Stroms reproduzieren.

„Im Experiment sieht man nur den Strom. Unsere Rechnungen erlauben einen Blick auf das, was dabei im Inneren des Nanokontakts geschieht“, erklärt Yuta Ito. Die Kombination aus elektrischen Messungen und quantenmechanischen Berechnungen machte es möglich, die Bewegung des einzelnen Moleküls mit seinen elektrischen Eigenschaften zu verknüpfen.

Elektrisch angetriebene molekulare Motoren sind bereits seit 2011 bekannt. Allerdings benötigten bisherige Konstruktionen eine Oberfläche und die Spitze eines Rastertunnelmikroskops, um die Moleküle anzutreiben. Der neue Motor arbeitet dagegen zwischen zwei fest verbundenen Metallelektroden. Er verbindet eine kontrollierte Drehrichtung mit einer stark veränderlichen elektrischen Leitfähigkeit.

Molekulare Motoren könnten neue Schalter ermöglichen

Für die Elektronik eröffnen sich dadurch Möglichkeiten, elektrische Ströme mithilfe mechanischer Bewegungen auf molekularer Ebene zu steuern. Solche Strukturen könnten künftig als winzige Schalter oder Bauelemente dienen, deren Leitfähigkeit sich durch Spannung und Molekülbewegung verändert.

Weitere mögliche Anwendungen liegen in der Spintronik und der Mikrofluidik:

• In der Spintronik nutzen elektronische Bauteile neben der elektrischen Ladung auch den Eigendrehimpuls von Elektronen.
• In der Mikrofluidik geht es darum, kleinste Flüssigkeitsmengen gezielt zu transportieren oder zu beeinflussen.

Bislang handelt es sich um einen experimentellen Prototyp. Für einen praktischen Einsatz müssten solche molekularen Maschinen zuverlässig und unter geeigneten technischen Bedingungen funktionieren. Noch ist offen, wie sich die Konstruktion in größere elektronische Schaltungen integrieren lässt.

Kurz zusammengefasst:

• Ein internationaler Forscherverbund hat einen Molekularmotor entwickelt, der nach dem Prinzip der 2000 Jahre alten archimedischen Schraube funktioniert und durch elektrischen Strom angetrieben wird.
• Während sich das Molekül dreht, kann bis zu 100-mal mehr Strom hindurchfließen; durch Umpolen der Spannung lässt sich die Drehrichtung umkehren.
• Physiker der Universität Augsburg erklärten den Effekt: Die Rotation bringt das Molekül in besonders leitfähige Positionen und könnte künftig neuartige elektronische Schalter ermöglichen.

Übrigens: Auch der Rüssel eines Schmetterlings dient Wissenschaftlern als Vorbild für winzige Maschinen. Forscher haben daraus einen magnetisch steuerbaren Antrieb entwickelt, der mehr als das 30-Fache seines Eigengewichts bewegen kann. Mehr dazu in unserem Artikel.

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