2000 Jahre alte Erfindung wird zum Motor aus einem einzigen Molekül

Ein Motor aus einem einzigen Molekül, angetrieben durch elektrischen Strom: Ein internationales Forschungsteam hat eine winzige Maschine entwickelt, deren Form an die Archimedische Schraube erinnert. Besonders verblüffend ist, was während der Rotation passiert. Der Stromfluss kann um bis zum Hundertfachen ansteigen. Forschende der Universität Augsburg haben herausgefunden, warum das so ist.

Ein Molekül hängt zwischen zwei winzigen Goldspitzen. Sobald die Forschenden eine elektrische Spannung anlegen, beginnt es sich zu drehen. Erreicht es eine bestimmte Rotationsgeschwindigkeit, steigt der gemessene Strom plötzlich stark an. Unter den untersuchten Bedingungen kann er bis zu hundertmal so groß werden.

Das Experiment erinnert an eine Erfindung, die seit mehr als 2000 Jahren bekannt ist: die Archimedische Schraube. Mit ihr lässt sich Wasser nach oben befördern. Noch heute wird das Prinzip beispielsweise in Pumpwerken und Kläranlagen eingesetzt. Wie die Konstruktion funktioniert, zeigt unser Beitrag über die Geschichte der Archimedischen Schraube.

Das internationale Forschungsteam hat sich von der schraubenförmigen Geometrie inspirieren lassen. Das Molekül befördert allerdings kein Wasser. Stattdessen fließen Elektronen hindurch und versetzen es in Rotation. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin Nature veröffentlicht.

Wie funktioniert ein Motor aus einem einzigen Molekül?

Das verwendete Molekül gehört zur Gruppe der Helicene. Ihre Besonderheit ist die räumliche Struktur: Die Moleküle sind spiralförmig aufgebaut. Je nach Aufbau kann eine solche Spirale rechts- oder linksgängig sein, vergleichbar mit einem Schraubengewinde. Für das Experiment stellte ein Team um Michael Pittelkow an der Universität Kopenhagen ein spezielles Helicenmolekül her. Es ist nur wenige Nanometer groß und besitzt Schwefelatome, mit denen es an Goldoberflächen gebunden werden kann.

Am Weizmann Institute of Science in Israel gelang es dem Team um Oren Tal und Anil Kumar Singh, einzelne dieser Moleküle zwischen zwei atomar feinen Goldspitzen einzuspannen. Die Spitzen dienten zugleich als Elektroden. Über sie konnten die Forschenden eine Spannung anlegen und messen, wie viel Strom durch das Molekül floss.

Der Abstand zwischen den Goldspitzen ließ sich präzise verändern. Dadurch konnten die Forschenden das Molekül strecken oder zusammendrücken und seine elektrischen Eigenschaften untersuchen. Das Besondere zeigte sich bei angelegter Spannung: Die durch das Molekül fließenden Elektronen übertragen Drehimpuls auf die schraubenförmige Struktur. Dadurch wird das Molekül in Bewegung versetzt. Oberhalb einer bestimmten Spannung kann daraus eine kontinuierliche Rotation entstehen.

Die Drehrichtung lässt sich durch die Spannung steuern

Das Forschungsteam konnte nicht nur eine gerichtete Rotation nachweisen, sondern auch ihre Richtung beeinflussen. Dazu genügte es, die elektrische Spannung umzupolen. Fließen die Elektronen in die entgegengesetzte Richtung, kehrt sich auch die bevorzugte Drehrichtung des Moleküls um. Welche Richtung es bei einer bestimmten Stromrichtung einschlägt, hängt von seiner schraubenförmigen Struktur ab.

Stromgetriebene Molekülmotoren sind nicht grundsätzlich neu. Bereits 2011 gelang es, Moleküle auf einer Oberfläche mithilfe einer Rastertunnelmikroskopspitze anzutreiben. Der neue Versuchsaufbau unterscheidet sich davon in einem wesentlichen Punkt: Das rotierende Molekül bleibt zwischen zwei Metallelektroden kontaktiert. Die Forschenden demonstrieren damit nach Angaben der Universität Augsburg erstmals einen solchen stromgetriebenen Molekülmotor mit steuerbarer Drehrichtung.

Warum steigt der Strom plötzlich um das Hundertfache?

Der auffälligste Befund des Experiments war der starke Stromanstieg. Er ließ sich nicht allein durch die angelegte Spannung erklären. Offenbar beeinflusste die Rotation selbst den Transport der Elektronen.

Um den Zusammenhang zu verstehen, untersuchten Forschende der Universität Augsburg das Molekül mit quantenmechanischen Computersimulationen. Fabian Pauly und seine Doktoranden Léon Martin und Yuta Ito nutzten dafür den Hochleistungsrechner LiCCA.

Die Berechnungen zeigten, dass der Stromfluss stark davon abhängt, wie das Molekül gerade gedreht ist. Bestimmte Winkelstellungen ermöglichen einen wesentlich höheren Stromtransport als andere. Ausgerechnet diese günstigen Stellungen nimmt das Molekül im Ruhezustand normalerweise nicht ein. Erst während der Rotation werden sie zugänglich.

„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 Léon Martin in einer Pressemitteilung der Universität Augsburg vom 22. Oktober 2026.

Die Rotation kann die Leitfähigkeit des molekularen Kontakts damit um bis zu zwei Größenordnungen erhöhen. Das entspricht einem Faktor von bis zu 100.

Entscheidend ist, dass sich hier zwei Vorgänge gegenseitig beeinflussen: Der elektrische Strom versetzt das Molekül in Bewegung. Durch diese Bewegung verändert sich wiederum der Stromfluss.

Dabei entsteht keine zusätzliche elektrische Energie. Die Messungen zeigen, dass bei entsprechender angelegter Spannung deutlich mehr Strom durch den Kontakt fließen kann. Eine hundertfache Steigerung des Wirkungsgrads wurde nicht nachgewiesen.

Dass mechanische Eigenschaften einzelner Moleküle für die Elektronik wichtig sind, zeigen auch andere Untersuchungen. So haben Forschende der Universität Cambridge die Steifigkeit einzelner Moleküle in organischen Halbleitern untersucht.

Was die Experimente zeigen – und was die Simulationen erklären

Bei einem wenige Nanometer großen Motor lässt sich die Bewegung nicht wie bei einer gewöhnlichen Maschine direkt mit einer Kamera verfolgen. Die Forschenden untersuchten deshalb das elektrische Verhalten des Moleküls zwischen den Goldspitzen.

Die Messungen lieferten Hinweise auf die gerichtete Rotation und den damit verbundenen Stromanstieg. Die Computersimulationen halfen anschließend, die Vorgänge im molekularen Kontakt zu verstehen.

„Im Experiment sieht man nur den Strom. Unsere Rechnungen erlauben einen Blick auf das, was dabei im Inneren des Nanokontakts geschieht. Erst im engen Zusammenspiel von Experiment und Theorie über mehrere Länder hinweg ließ sich das Rätsel des Stromanstiegs lösen“, sagt Yuta Ito von der Universität Augsburg.

Anschließend entwickelten Per Hedegård vom Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen und Jing-Tao Lü von der Huazhong University of Science and Technology in Wuhan ein vereinfachtes physikalisches Modell. Damit ließen sich sowohl die beobachtete Rotation als auch der starke Stromanstieg nachvollziehen.

Die Arbeit verbindet damit experimentelle Messungen mit quantenmechanischen Berechnungen. Sie erklärt, weshalb die elektrische Leitfähigkeit einer molekularen Verbindung nicht nur von ihrem Aufbau, sondern auch von ihrer Bewegung abhängen kann.

Wofür könnte ein solcher Molekülmotor eingesetzt werden?

Von einem praktisch nutzbaren Antrieb ist die Forschung noch weit entfernt. Bislang funktioniert die molekulare Maschine unter kontrollierten Laborbedingungen zwischen zwei extrem feinen Goldkontakten. Die Forschenden nennen dennoch mehrere mögliche Anwendungsfelder. Dazu gehören die Molekularelektronik, die Spintronik und mikrofluidische Systeme.

In der Molekularelektronik geht es darum, einzelne Moleküle als Bestandteile elektronischer Schaltungen zu nutzen. Die Spintronik beschäftigt sich zusätzlich zur elektrischen Ladung mit dem Spin der Elektronen. Mikrofluidische Systeme wiederum bewegen oder kontrollieren sehr kleine Flüssigkeitsmengen.

Konkrete Bauteile für diese Anwendungen hat das Forschungsteam bislang nicht vorgestellt. Derzeit steht das Verständnis der physikalischen Vorgänge im Vordergrund.

„Wir haben gezeigt, dass sich mit Strom eine gerichtete Drehung erzeugen lässt und dass diese Drehung ihrerseits den Strom steuert. Das ist ein neues Funktionsprinzip für Maschinen an der äußersten Grenze der Miniaturisierung“, erklärt Fabian Pauly.

Quellen

• Nature (2026): Torque-Driven Molecular Machine Operating as a Current Enhancer – Originalstudie.
• Universität Augsburg (22.10.2026): Archimedische Schraube aus einem einzigen Molekül – Forschungsbericht mit Zitaten und Erläuterungen.
• Informationsdienst Wissenschaft (22.10.2026): Archimedes’ screw made from a single molecule – Internationale Pressemitteilung.