In einer Entwicklung, die die alten Griechen entweder sehr stolz oder zutiefst verwirrt machen würde, haben Wissenschaftler einen molekularen Motor gebaut, der sich dreht, wenn Strom durch ihn fließt. Die winzige Maschine, inspiriert von der Archimedischen Schraube – einer der ältesten Maschinen der aufgezeichneten Geschichte – kann sogar die Richtung umkehren, wenn die Spannung umgeschaltet wird. Es ist ein bedeutender Schritt zur Schaffung funktionierender Maschinen im kleinstmöglichen Maßstab, vorausgesetzt, Sie haben jemals eine Schraube gebraucht, die klein genug ist, um zwischen Ihren Sofakissen verloren zu gehen.

Molekulare Maschinen gelten weithin als die nächste Grenze der Miniaturisierung. Die Natur hat bereits funktionierende Beispiele in lebenden Zellen, wo molekulare Motoren Energie nutzen, um Bewegung zu erzeugen – weil die Natur, wie üblich, zuerst da war und es nicht einmal für nötig hielt, darüber zu publizieren. Forscher haben Jahrzehnte damit verbracht, diese biologischen Systeme künstlich nachzubauen, und der Fortschritt auf diesem Gebiet wurde 2016 mit dem Nobelpreis für Chemie gewürdigt, was dem wissenschaftlichen Äquivalent eines Goldsterns dafür entspricht, endlich mit einem Bakterium gleichgezogen zu haben.

Wissenschaftler entwickelten 2011 erstmals elektrisch angetriebene molekulare Motoren, aber diese früheren Designs funktionierten auf Oberflächen und waren auf die Spitze eines Rastertunnelmikroskops angewiesen, um ihre Bewegung anzutreiben – im Grunde das molekulare Äquivalent dazu, einen Gabelstapler zu benötigen, um einen Türknauf zu drehen. Der neue Motor verfolgt einen anderen Ansatz und entlehnt sein Design der Archimedischen Schraube, die traditionell verwendet wird, um Wasser bergauf zu bewegen. Statt Wasser ermöglicht das neue Design Elektronen, durch ein spiralförmiges Molekül zu wandern, wodurch es sich dreht, wenn elektrischer Strom durchfließt. Gleiches Prinzip, kleinere Rohrleitungen.

Die zentrale Komponente des Motors ist ein speziell entwickeltes spiralförmiges Molekül, das von der Forschungsgruppe von Prof. Michael Pittelkow an der Universität Kopenhagen hergestellt wurde. Mit einer Größe von nur wenigen Millionstel Millimetern kann sich das Molekül über Schwefelatome an Goldoberflächen binden – weil Wissenschaftler offenbar auch im molekularen Maßstab darauf bestehen, die Dinge unnötig schick zu machen.

Am Weizmann-Institut für Wissenschaften in Israel positionierten Forscher unter der Leitung von Prof. Oren Tal und Dr. Anil Kumar Singh einzelne Moleküle zwischen zwei auf atomare Dimensionen geschärften Goldspitzen. Durch sorgfältige Änderung des Abstands zwischen diesen Elektroden konnte das Team die molekulare Schraube dehnen oder komprimieren. Als sie eine elektrische Spannung anlegten, zeigten Messungen, dass das Molekül zu rotieren begann. Noch wichtiger: Sie konnten seine Richtung einfach durch Ändern der Polarität der Spannung umkehren – was dem molekularen Äquivalent entspricht, ein Auto in den Rückwärtsgang zu schalten, außer dass das Auto wenige Millionstel Millimeter lang ist und Sie es nicht einmal sehen können.

Dies ist die erste Demonstration eines molekularen Motors, der von elektrischem Strom angetrieben wird, fest mit zwei Metallelektroden verbunden ist und sich in eine kontrollierbare Richtung drehen kann. Das sind drei Premieren in einem Satz, was dem wissenschaftlichen Äquivalent eines Hattricks entspricht.

Die Antriebskraft kommt direkt von Elektronen, die durch das spiralförmige Molekül wandern. Während sie sich bewegen, übertragen sie Drehimpuls auf die molekulare Struktur und erzeugen eine Rotation ähnlich wie bewegte Luft eine Windturbine dreht. Die Form der Spirale bestimmt, wie sie auf diesen Fluss reagiert, ähnlich dem Unterschied zwischen Schrauben mit rechts- oder linksgängigem Gewinde. Sobald die angelegte Spannung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird die Bewegung zu einer kontinuierlichen Rotation – weil auch im molekularen Maßstab die Dinge einen guten Tritt brauchen, um in Gang zu kommen.

Doch die Experimente offenbarten einen weiteren faszinierenden Effekt: Das rotierende Molekül leitete Elektrizität viel effizienter als im stationären Zustand, was eine wichtige Frage aufwarf, was im Inneren der winzigen Maschine vor sich ging. Um dies zu untersuchen, verwendeten Prof. Dr. Fabian Pauly und seine Doktoranden Léon Martin und Yuta Ito von der Universität Augsburg quantenmechanische Simulationen auf dem LiCCA-Supercomputer. Ihre Berechnungen ergaben eine enge Beziehung zwischen der Rotation des Moleküls und seiner Fähigkeit, Strom zu leiten.