Wissenschaftler entwickeln chemische Motoren auf molekularer Ebene

Wissenschaftler entwickeln chemische Motoren auf molekularer Ebene

Der Mikrokosmos ist immer noch voller Geheimnisse, aber Wissenschaftler hören nicht auf


Drei neuere Studien in der chemischen Industrie haben auf molekularer Ebene Durchbrüche bei Pumpen und Rotationsmotoren erzielt. Mikroskopische Geräte sind noch nicht bereit für die offizielle Premiere und den realen Einsatz, aber die Aussichten für Technologie es gibt große. Zukünftige Mikromotoren können Kohlendioxid direkt aus der Atmosphäre aufnehmen und mit Hilfe der gewonnenen Energie wertvolle Metalle aus dem Meerwasser extrahieren.

Uns bekannte Verbrennungsmotoren verbrennen Kraftstoff, um Wärme zu erzeugen, die aufgrund ihrer hohen Energie Kolben, Zahnräder und andere Mechanismen in eine genau festgelegte Richtung drückt. Auf molekularer Ebene funktioniert jedoch ein völlig anderes Prinzip. Aufgrund der verschwindend geringen Größe korpuskulärer Teilchen können sich molekulare Rotoren bei Wärmezufuhr mit gleicher Wahrscheinlichkeit sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn bewegen. Moleküle bewegen sich zufällig, was die koordinierte Arbeit einer großen Anzahl von Mikromotoren unmöglich macht.

Fraser Stoddart, ein organischer Chemiker an der Northwestern University, kämpfte jahrelang darum, dieses Problem zu lösen. Schließlich gelang es ihm, eine der ersten molekularen Maschinen auf chemischer Basis zu erschaffen, für die er 2016 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Stoddart erfand mikroskopisch kleine Ringe, die sich unter dem Einfluss bestimmter Reagenzien um die Molekülachse „wickeln“ und von dieser ablösen. Anfangs blieb die chaotische Natur der Bewegung der Rotoren bestehen, was bedeutet, dass sie nutzlos waren.

Im Laufe der Zeit löste Stoddarts Team jedoch das Problem der unregelmäßigen Bewegung von Mikromotoren. Im Dezember 2021 berichteten Wissenschaftler in Science, dass es ihnen gelungen sei, die nächste Generation von Molekularpumpen mit einem metallorganischen Gerüst dafür zu immobilisieren. Die Forscher befestigten buchstäblich jeden mikroskopischen Rotor an dieser Struktur und stellten eine genau definierte Position ein, die während des gesamten Experiments beibehalten wurde.


Der molekulare Rotor sieht aus wie ein Haufen mehrerer Moleküle.


David Lee, ein Chemiker an der Universität Manchester, und sein Team von Wissenschaftlern gingen sogar noch weiter und schufen erst kürzlich einen mikroskopisch kleinen Rotor, der sich kontinuierlich dreht, solange er Zugang zu „Treibstoff“ hat. Im Moment dreht sich der Rotor extrem langsam, macht etwa drei Umdrehungen pro Tag. Forscher arbeiten daran, diesen Prozess zu beschleunigen, und entdecken buchstäblich jeden Tag neue Regeln für die Schaffung molekularer Mechanismen.
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