Forscher haben einen molekularen Motor entwickelt, der von der Archimedischen Schraube inspiriert ist, einem antiken Gerät, das traditionell zum Transport von Wasser verwendet wurde. Die elektrisch angetriebene Maschine ist nur wenige Millionstel Millimeter groß und kann sich abhängig von der Polarität der angelegten Spannung in beide Richtungen drehen.

Der Motor wurde aus einem speziell entworfenen spiralförmigen Molekül hergestellt, das von einer Forschungsgruppe an der Universität Kopenhagen entwickelt wurde. Schwefelatome ermöglichen es dem Molekül, sich an Goldoberflächen zu befestigen. Am Weizmann-Institut für Wissenschaft platzierten Forscher einzelne Moleküle zwischen zwei Goldspitzen, die auf atomare Dimensionen zugespitzt waren, und veränderten den Abstand zwischen den Elektroden, um die molekulare Struktur zu dehnen oder zu komprimieren.

Als Spannung angelegt wurde, begann sich das Molekül zu drehen. Eine Umkehrung der Spannung kehrte auch die Drehrichtung um. Die Forscher beschreiben dies als den ersten Nachweis eines molekularen Motors, der durch elektrischen Strom angetrieben wird, mit zwei Metallelektroden verbunden ist und eine kontrollierte gerichtete Rotation ermöglicht.

Die Rotation entsteht, weil Elektronen, die durch die Spirale fließen, ihren Drehimpuls auf das Molekül übertragen. Sobald die Spannung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, geht die Bewegung in eine kontinuierliche Rotation über. Die Struktur der Spirale bestimmt, wie sie auf den Elektronenfluss reagiert – vergleichbar mit dem Einfluss unterschiedlicher Gewinderichtungen bei herkömmlichen Schrauben.

Die Experimente zeigten außerdem, dass das rotierende Molekül Strom wesentlich effizienter leitet als im ruhenden Zustand. Um diesen Effekt zu untersuchen, verwendeten Forscher an der Universität Augsburg quantenmechanische Simulationen auf dem LiCCA-Supercomputer.

Die Berechnungen ergaben, dass die Leitfähigkeit stark vom Winkel des Moleküls abhängt und sich während der Rotation um bis zu zwei Größenordnungen, also um das 100-Fache, erhöhen kann. Die Simulationen zeigten, dass das Molekül einige der Konfigurationen vermeidet, die im Ruhezustand den Strom am besten leiten. Durch die Rotation werden diese Anordnungen zugänglich.

Forscher der Universität Augsburg, der Universität Kopenhagen, des Weizmann-Instituts für Wissenschaft und der Huazhong University of Science and Technology kombinierten experimentelle Messungen mit theoretischer Modellierung, um das Ergebnis zu erklären. Das Modell reproduzierte sowohl die beobachtete Rotation als auch den damit einhergehenden Anstieg des elektrischen Stroms.

Die Ergebnisse könnten zur Forschung in den Bereichen molekulare Elektronik, Spintronik und mikrofluidische Systeme beitragen. Sie bieten außerdem eine Möglichkeit zu untersuchen, wie Bewegung und elektrische Leitung auf atomarer Ebene miteinander wechselwirken, und liefern ein mögliches Funktionsprinzip für Maschinen an den Grenzen der Miniaturisierung.

Die Studie „Current-Driven Molecular Machine with Rotation-Enhanced Conductance“ wurde in Nature veröffentlicht. Die Arbeiten an der Universität Augsburg wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt; die rechnergestützte Forschung wurde mit dem LiCCA-Supercomputer der Universität durchgeführt.

Quellen: ScienceDaily.