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Der kleinste Motor der Welt
Ein Forschungsteam der Empa und der EPFL hat einen molekularen Motor entwickelt, der aus nur 16 Atomen besteht und sich zuverlässig in eine Richtung dreht. Er könnte die Energiegewinnung auf atomarer Ebene möglich machen. Das Besondere: Der Motor bewegt sich exakt an der Grenze zwischen klassischer Bewegung und Quantentunneln — und hat den Forschenden im Quantenbereich rätselhafte Phänomene aufgezeigt. Eine molekulare Maschine funktioniert im Prinzip ähnlich wie ihr Gegenstück in der Makrowelt: Sie wandelt Energie in eine gerichtete Bewegung um. Auch in der Natur existieren solche molekularen Motoren — etwa in der Form von Myosinen. Myosine sind Motorproteine, die in Lebewesen eine wichtige Rolle bei der Muskelkontraktion und beim Transport von anderen Molekülen zwischen den Zellen spielen. Wie ein Motor im Grossformat besteht der aus 16 Atomen zusammengesetzte Motor aus einem Stator und einem Rotor, also einem fixen und einem beweglichen Teil. Der Rotor dreht sich auf der Oberfläche des Stators. Er kann dabei sechs unterschiedliche Positionen einnehmen. Da die Energie, die den Motor antreibt, aus einer zufälligen Richtung kommen kann, muss der Motor selbst die Drehrichtung vorgeben. Das geschieht genau umgekehrt wie bei einer Rätsche in der makroskopischen Welt mit ihrem asymmetrisch gezackten Zahnrad: Während die Sperrklinke bei einer Rätsche die flache Kante hochfährt und in Richtung der steilen Kante sperrt, braucht die atomare Variante weniger Energie, um an der steilen Kante des Zahnrads hochzufahren als an der flachen Kante. Die Bewegung in die «Sperrrichtung» ist deshalb bevorzugt und die Bewegung in «Laufrichtung» viel unwahrscheinlicher. Die Bewegung ist also praktisch nur in eine Richtung möglich. Der winzige Motor kann sowohl mit Wärmeenergie als auch mit elektrischer Energie betrieben werden. Die Wärmeenergie sorgt dafür, dass die gerichtete Drehbewegung des Motors in Rotationen in zufällige Richtungen übergeht — bei Raumtemperatur etwa dreht sich der Rotor mit mehreren Millionen Umdrehungen pro Sekunde komplett zufällig hin und her. Dagegen kann elektrische Energie, die durch ein Elektronenrastermikroskop, von dessen Spitze ein kleiner Strom in den Motoren fliesst, wieder gerichtete Drehungen herbeiführen. Die Energie eines einzelnen Elektrons reicht dabei aus, um den Rotoren gerade um eine Sechstelumdrehung weiterlaufen zu lassen. Dabei gilt: Je höher die zugeführte Energiemenge, desto höher die Bewegungsfrequenz — doch zugleich wird es umso wahrscheinlicher, dass sich der Rotor in eine zufällige Drehrichtung bewegt, da er mit zu viel Energie die Sperrklinke auch in der «falschen» Richtung überwinden kann.
empa.ch
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