Archimedische Schraube aus einem einzigen Molekül

In der Weiterentwicklung molekularer Maschinen ist einem internationalen Physikerkonsortium ein wegweisender Durchbruch gelungen: Erstmals wurde ein molekularer Motor realisiert, der nach dem Prinzip der archimedischen Schraube arbeitet und fest zwischen zwei Metallelektroden eingebunden ist. Molekulare Motoren, für deren Erforschung 2016 der Chemie-Nobelpreis verliehen wurde, gelten als Schlüsselelement der extremen Miniaturisierung. Während stromgetriebene molekulare Systeme bislang nur isoliert auf Oberflächen mittels Rastertunnelmikroskopie bewegt werden konnten, zeigt die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Studie erstmals eine steuerbare, kontinuierliche Rotation in einem geschlossenen Nanokontakt.

Experimenteller Aufbau: Das Helicen-Molekül in der Goldkontakt-Spannungszelle

Das Herzstück dieser molekularen Maschine bildet ein synthetisches, schraubenförmiges Helicen-Molekül, das an der Universität Kopenhagen in der Arbeitsgruppe von Prof. Michael Pittelkow maßgeschneidert wurde. Am Weizmann Institute of Science spannte das Team um Prof. Oren Tal und Dr. Anil Kumar Singh einzelne dieser nur wenige Nanometer großen Moleküle über kovalent bindende Schwefelatome präzise zwischen zwei atomar feinen Goldspitzen ein. Durch die Feinjustierung des Elektrodenabstands ließ sich die molekulare Schraube im Nanokontakt gezielt stauchen oder strecken.

Mechanismus der Drehimpulsübertragung und gesteuerte Rotation

Der Antrieb des Motors erfolgt direkt durch die durchfließenden Elektronen. Analog zur Impulsübertragung des Windes auf ein Windrad übertragen die Ladungsträger beim Durchqueren der chiralen Molekülstruktur einen Drehimpuls auf das Helicen. Die räumliche Windung des Moleküls gibt dabei die Richtung vor. Bei Anlegen einer kritischen Schwellenspannung geht die Auslenkung in eine kontinuierliche Rotation über. Die Drehrichtung erweist sich als eindeutig und lässt sich durch eine einfache Umpolung der Betriebsspannung umkehren, womit erstmals eine gerichtete und steuerbare Motorbewegung in einer festen Festkörper-Schnittstelle demonstriert werden konnte.

Quantenmechanische Modellierung entschlüsselt Nichtlinearitäten

Ein zentrales Phänomen der Messungen war das exponentielle Ansteigen des Stromflusses um bis zu zwei Größenordnungen, sobald das Molekül eine bestimmte Rotationsgeschwindigkeit erreichte. Mittels quantenmechanischer Simulationen auf dem Hochleistungsrechner LiCCA entschlüsselte die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Fabian Pauly an der Universität Augsburg gemeinsam mit den Doktoranden Léon Martin und Yuta Ito diesen Effekt. Die Berechnungen belegen eine fundamentale Kopplung zwischen dem Drehwinkel des Moleküls und seiner elektrischen Leitfähigkeit. „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.

Auf dieser Basis entwickelten theoretische Partner des Niels-Bohr-Instituts in Kopenhagen sowie der Huazhong University of Science and Technology ein vereinfachtes Transportmodell, welches die experimentellen Messdaten exakt reproduzierte. „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 der Doktorand Yuta Ito.

Perspektiven für die Analytik und Nanoelektronik

Die Kopplung von mechanischer Bewegung und Ladungstransport eröffnet neuartige Perspektiven für die molekulare Elektronik, die Spintronik sowie für künftige mikrofluidische Systeme und Nano-Aktuatoren. Darüber hinaus bietet das System ein präzise steuerbares Modellsystem zur Erforschung quantenmechanischer Transportprozesse auf atomarer Skala. „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 Pauly.

Quelle

Universität Augsburg (10/2026)