Wie ein fehlerhafter Schalter den Nobelpreis gewann

Im Jahr 2016 erhielten Ben Feringa, Professor für organische Chemie an der Universität Groningen, und zwei seiner Kollegen den Nobelpreis für Chemie für die Entwicklung „der kleinsten Maschinen der Welt“. Feringa hatte einen lichtbetriebenen Motor aus einem einzigen Molekül gebaut. Der wissenschaftliche Artikel, der diesen molekularen Motor beschreibt, wurde vor 25 Jahren, am 9. September 1999, veröffentlicht Natur.

Das erste Motormolekül wurde tatsächlich als molekularer Schalter konzipiert, der durch Licht betätigt wird. Feringa hat nach Möglichkeiten gesucht, Schalter aus einzelnen Molekülen herzustellen, mit dem Ziel, immer kleinere elektronische Geräte herzustellen. Diese Schalter sollten „molekulare Bits“ bilden, die durch Ein- und Ausschalten Informationen in Form von Nullen und Einsen speichern könnten.

Damals war Feringa nicht auf der Suche nach einem molekularen Motor, obwohl er bereits die Hypothese aufgestellt hatte, dass eine so kleine Maschine existieren könnte. Und da das Glück den vorbereiteten Geist begünstigt, erkannte er die seltsamen Ergebnisse, die sein Postdoktorand Nagatoshi Koumura präsentierte.

Koumura hatte einen solchen „Schalter“ erforscht, fand jedoch Anzeichen eines Moleküls, das nicht zwischen zwei Positionen wechselte, sondern bei dem ein Teil eine volle 360-Grad-Drehung vollzog und sich dabei um eine Molekülachse drehte.

Das Motormolekül besteht aus einem oberen und einem unteren Teil, die durch zwei Kohlenstoffatome verbunden sind, die die Rotationsachse bilden, und wird durch ultraviolettes Licht und Wärme angetrieben.

Wenn UV-Licht auf das Molekül fällt, dreht es sich um 180 Grad. Diese Drehung ist reversibel, aber durch die gleichzeitige Anwendung von Wärme verändert sich die Form des Moleküls während des Prozesses. Diese Formänderung verhindert eine Inversion, die Drehung erfolgt also nur in eine Richtung. Zwei dieser Licht-/Wärmestufen erzeugen eine volle 360-Grad-Rotation.

Nachdem Feringas Team verstanden hatte, wie das Motormolekül funktioniert, begannen sie, es zu verbessern. Die Rotationsgeschwindigkeit wurde erhöht und es wurden allerlei Modifikationen vorgenommen, um die Effizienz zu steigern. Natürlich ist ein Motor nur dann sinnvoll, wenn er Arbeit verrichten kann.

Frühe Motoren waren so konzipiert, dass sie frei in einem Lösungsmittel schwimmen konnten, was bedeutete, dass sie nicht viel anderes tun konnten, als das Lösungsmittel zu bewegen. Dazu wurden die Motormoleküle an eine Oberfläche gebunden und konnten so eine Kraft auf ihre Umgebung ausüben.

Im Jahr 2006 veröffentlichte die Forschungsgruppe von Ben Feringa einen Artikel, in dem beschrieben wurde, wie lichtgetriebene Motormoleküle in einem Flüssigkristallfilm einen Glasstab drehen könnten, der 10.000 Mal größer als diese Motoren ist. Darüber hinaus wirkten Fasern, die aus lichtgetriebenen Motormolekülen entstanden, wie Muskeln; Sie zogen sich zusammen, wenn eine Seite beleuchtet wurde. Und kürzlich wurden Feringas lichtbetriebene Motoren in einem 3D-gedruckten „Schmetterling“ eingesetzt. Indem wir die Flügel des Schmetterlings mit UV-Licht bestrahlen, verändern wir ihre Form und erzeugen eine Schlagbewegung – wobei zu betonen ist, dass er nicht fliegt.

Ein kleines Auto

Im Rahmen eines Sonderprojekts wurden vier Motormoleküle zu einem Chassis verbunden, um ein allradgetriebenes Nanoauto zu schaffen. Es wurde fertiggestellt und im Tagebuch beschrieben Natur im Jahr 2011. Das Nanoauto nutzte eine modifizierte Version des molekularen Motors, der durch Elektrizität angetrieben wurde, die von der Oberfläche erzeugt wurde, auf der es fuhr.

Dieses Projekt wurde von einem Team durchgeführt, zu dem Syuzanna Harutyunyan, Tibor Kudernac und Nathalie Katsonis gehörten, die heute alle ordentliche Professoren am Stratingh Institute of Chemistry der Universität Groningen sind.

In der neuesten Version des molekularen Motors wurde die Effizienz weiter gesteigert, wodurch sich seine Bewegungen leichter steuern lassen. Als eine Charge älterer Versionen des molekularen Motors bestrahlt wurde, bildeten sie eine Mischung von Motoren in verschiedenen Phasen des Rotationszyklus. Mit dem effizientesten Motor ist es möglich, alle Motoren zu synchronisieren und in jeder Phase des Rotationszyklus zu steuern.

Dieser neue Motor wurde verwendet, um die Farbe eines Flüssigkristalls mithilfe von Licht zu ändern.

Lichtgesteuerte Medikamente

In der Zwischenzeit erlebten die Veränderungen, die all dies in Gang setzten, schließlich ein Comeback, nicht bei Computerchips, sondern bei Medikamenten. Durch lichtgesteuerte Schalter können Medikamente genau dort aktiviert werden, wo sie benötigt werden. Das Arzneimittel schaltet sich nach einigen Stunden automatisch ab.

Dadurch könnte die Zahl der Nebenwirkungen im Körper verringert werden. Dies bedeutet auch, dass das Medikament, beispielsweise ein antimikrobielles Mittel, deaktiviert wird, wenn es den Körper verlässt und in den Abfluss gelangt, wodurch die Entwicklung einer antimikrobiellen Resistenz in der Umwelt verhindert wird.

In seiner Rede zur Verleihung des Nobelpreises 2016 verglich Feringa seine Molekularmotoren mit dem ersten Flugzeug der Gebrüder Wright. Obwohl es weit entfernt von modernen Düsenflugzeugen war, markierte es den Beginn einer ganz neuen Ära.

In 25 Jahren haben sich molekulare Motoren von einfachen Molekülen zu Werkzeugen entwickelt, die in der Materialwissenschaft und Medizin eingesetzt werden können. Die nächsten 25 Jahre werden voraussichtlich zeigen, ob sie unsere Welt genauso revolutionieren können wie die Luftfahrtindustrie.

Nicht nur ein Motorenliebhaber

Der Bau von Molekülen war für Feringa schon immer eine Leidenschaft und er hat seine Fähigkeiten genutzt, um an verschiedenen Themen zu arbeiten. Er leistete mehrere wichtige Beiträge auf dem Gebiet der Katalyse, der Entwicklung von Verbindungen, die eine chemische Reaktion beschleunigen, ohne dabei verbraucht zu werden, wichtige Werkzeuge für die chemische Industrie.

Er untersuchte auch Chiralität, die „Chiralität“ von Molekülen, die die gleiche Zusammensetzung haben, aber Spiegelbilder voneinander sind, genau wie unsere linke und rechte Hand. In der Chemie können verschiedene „Hände“ sehr unterschiedliche Eigenschaften haben, aber auch Chiralität ist ein Merkmal des Lebens. Die Untersuchung dieses Phänomens könnte uns mehr darüber verraten, wie das Leben auf der Erde entstanden ist.