Molekulares Kugellager in Bewegung

Die Forschung zu Molekularen Maschinen rückte zuletzt in den Fokus der Öffentlichkeit. 2016 erhielten drei Wissenschaftler aus Frankreich, Schottland und den Niederlanden den Chemie-Nobelpreis für Design und Synthese der winzigen Gebilde. Auch in Leipzig wird zu dem Zukunftsthema geforscht.

Molekulare Maschinen werden aus Makromolekülen gebaut, um bestimmte Funktionen zu erfüllen. Sie arbeiten bspw. wie winzige künstliche Muskeln oder Motoren. Wofür die Maschinen in Zukunft eingesetzt werden können, ist derzeit spekulativ – das Forschungsfeld ist relativ jung. Der Fantasie sind aber kaum Grenzen gesetzt: So könnten bspw. eines Tages Nanoroboter im menschlichen Blutkreislauf auf die Jagd nach Krankheitserregern gehen.

Molekulares Kugellager aus Bor-Atomen

Auch an der Universität Leipzig wird zu dem Thema geforscht. Jetzt ist es den Wissenschaftler erstmals gelungen, ein molekulares Kugellager nicht nur zu erzeugen, sondern auch dessen Beweglichkeit spektroskopisch nachzuweisen.

Das molekulare Kugellager der Leipziger besteht aus dreizehn Bor-Atomen. „Es war aus massenspetrometrischen Messungen schon länger bekannt, dass genau dreizehn Boratome eine besonders stabile Verbindung, einen sogenannten magischen Cluster, eingehen können“, sagt Prof. Dr. Knut Asmis vom Wilhelm-Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Leipzig.

Die Struktur ist eben und besteht aus zwei konzentrisch angeordneten Ringen: einem inneren Ring aus drei Bor-Atomen, umgeben von einem äußeren zehnatomigen Bor-Ring. Den theoretischen Vorhersagen des beteiligten Leipziger Prof. Dr. Thomas Heine entsprechend, lassen sich die beiden atomaren Ringe fast reibungslos gegeneinander verdrehen.

Nachweis mittels intensiver Laserstrahlung

Um das Kugellagers nachzuweisen, führten die Forscher gemeinsam mit Kollegen der TU Berlin und des Fritz-Haber-Instituts (FHI) spektroskopische Untersuchungen am Freien Elektronen Laser des FHI in Berlin durch – mit kommerziell erhältlichen Lasern wäre der Nachweis nicht zu führen gewesen. Durch Messung des Infrarotspektrums und begleitenden quantenmechanischen Rechnungen konnte das molekulare Kugellager belegt werden.

„Wir erreichen den Punkt, wo Quanteneffekte gezielt für die Funktionalität molekularer Systeme eingesetzt werden können“, sagt dazu Prof. Dr. Thomas Heine. Auch wenn die Anwendung der Ergebnisse noch weit in der Zukunft liege, verspreche sie ein riesiges Potenzial. „Die Nanotechnologie wird von Erkenntnissen wie unseren immens profitieren können.“