Synthetischer Mini-Motor zeigt beeindruckende Kraft durch chemische Energieumwandlung
Inspiriert von Bakterien haben Forscher erstmals einen synthetischen Mini-Motor entwickelt, der chemische Energie auf supramolekularer Ebene in Rotationsenergie umwandelt. Dieser neuartige Motor, der aus winzigen Bändern besteht, zeigt eine beeindruckende Kraft und eröffnet neue Möglichkeiten für die Anwendung in Nanotechnologien.
Synthetischer Mini-Motor: Chemischer Treibstoff verwandelt sich in präzise Rotationsbewegungen auf supramolekularer Ebene. (Symbolbild)
Foto: PantherMedia / IgorVetushko
Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben einen innovativen künstlichen Motor auf supramolekularer Ebene entwickelt, der bemerkenswerte Kräfte entfalten kann. Dieser Motor, der aus einem winzigen Band spezieller Moleküle besteht, richtet sich bei Energiezufuhr aus, bewegt sich wie eine kleine Flosse und kann dadurch Objekte anstoßen. Er nutzt erstmals einen chemischen Treibstoff zur Energieversorgung.
Bis jetzt konnte die Umwandlung von chemischer Energie in Rotationsbewegung nur in biologischen Systemen beobachtet werden. Ur-Bakterien, die Archaea, nutzen das Molekül ATP, um ihre kleinen Flossen, die Flagellen, zu bewegen und sich fortzubewegen. Solche synthetischen Systeme gab es bisher nicht. Die neue Entwicklung könnte künftig in Nanorobotern verwendet werden, die zum Beispiel durch Blutbahnen schwimmen, um Tumorzellen zu finden.
Rotation durch chemischen Treibstoff
Das Team um Brigitte und Christine Kriebisch sowie Job Boekhoven, Professor für Supramolekulare Chemie, hat Bänder aus Peptiden entwickelt, die Mikrometer lang und nur wenige Nanometer breit sind. Wenn chemischer Treibstoff hinzugefügt wird, nehmen diese Bänder eine strukturierte Form an und rollen sich zu kleinen Röhren auf, wodurch sie wie ein Aufziehmotor zu rotieren beginnen. Dieser Prozess kann sogar live unter dem Mikroskop beobachtet werden.
Die Forschenden stellten fest, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Bänder durch die Menge des zugeführten Treibstoffs reguliert werden kann. Außerdem kann die Richtung der Rotation – im oder gegen den Uhrzeigersinn – durch die Struktur der Molekülbausteine der Bänder beeinflusst werden. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden im angesehenen Fachmagazin Chem veröffentlicht.
„Unsere Arbeit zeigt einen neuen Mechanismus, bei dem chemische Energie auf Nanometerebene zur Antriebskraft für mikrometergroße Maschinen genutzt wird. Wir stellen uns vor, dass solche neuen Mechanismen den Weg zu autonomen Mikro- und Nanoskalemaschinen eröffnen“, schreiben die Forschenden in ihrem Artikel.
In Zusammenarbeit mit Prof. Matthias Rief, einem Experten für Molekulare Biophysik an der TUM, der sich mit modernen optischen Messmethoden beschäftigt, entdeckten die Forscher und Forscherinnen, dass die Bänder genügend Kraft aufbringen, um mikrometergroße Objekte zu bewegen. Die Messung dieser Kraft ist ein wichtiger Schritt für mögliche praktische Anwendungen.
Hoffnung auf Einsatz in Nanorobotern im Organismus
Wenn mehrere rotierende Bänder an einem zentralen Punkt kombiniert werden, können sie kleine „Mikro-Wanderer“ bilden, die sich auf Oberflächen fortbewegen können. Mit weiteren Verbesserungen könnten diese Mikro-Wanderer zukünftig für medizinische Anwendungen, wie den Transport von Medikamenten im Körper, eingesetzt werden. Derzeit ist der verwendete Treibstoff jedoch noch nicht geeignet, da er für den Organismus schädlich wäre.
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