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Nr. 43, 22.07.2007  voriger  Übersicht  weiter  REIHEN  SUCHE 

Transport im Nanoformat

Die CAU hat einen neuen Forschungsschwerpunkt: die molekulare Nanowis­senschaft. Chemiker, Physiker und Materialwissenschaftler wollen im neuen Sonderforschungs­bereich »Funktion durch Schalten« Moleküle arbeiten lassen.


So ähnlich, nur mehr als milliardenfach kleiner, soll ein molekulares Förderband Nanoteilchen transportieren. Foto: corbis

Auf dem Bildschirm sieht alles ganz einfach aus: Eine kleine Kugel schiebt sich auf einem Teppich von gleichmäßig verteilten Fäden voran. Zentimeter um Zentimeter bewegt sich die Kugel vorwärts, geschoben von den Fäden, die alle in eine Richtung schlagen. Mit der Simulation demonstriert Professor Rainer Herges, Direktor am Institut für Organische Chemie, das ehrgeizige Ziel des Teilprojekts B2 im neuen SFB 677: gerichteter Transport auf molekularen Flimmer­härchen.

Tatsächlich liegt noch viel Arbeit vor den beteiligten Chemikern und Physikern. »Unser Vorbild ist das Flimmer­epithel, das Bronchien und Nasenschleimhaut auskleidet«, berichtet der Sprecher des neuen SFB, der zusammen mit dem Oberflächenphysiker Professor Olaf Magnussen das Teilprojekt leitet. »Durch die wellenartige Bewegung der Flimmerhärchen werden Fremdkörper wie Staubteilchen oder Viren in Richtung Rachen abtransportiert. Das wollen wir mit schaltbaren Molekülen in viel kleinerem Maßstab nachbilden und mit Licht antreiben, um Nanoteilchen auf der Oberfläche zu einem beliebigen Ziel zu transportieren.« Ein Nanometer entspricht einem milliardstel Meter.

Der prinzipielle Aufbau der künstlichen Flimmerhärchen (Schaltmoleküle) steht fest: Auf einer »Plattform« wird die »schaltbare Einheit« frei drehbar »montiert«. Sie muss beim Belichten eine ausgeprägte Biegebewegung ausführen. Das Molekül verfügt über ein »Härchen«, die Geißel, die der Bewegung folgt und das Teilchen weiter transportiert. Bereits zwei Jahre arbeiten die Wissenschaftler an dem Projekt, Moleküle wurden entwickelt und wieder verworfen. Azobenzolderivate haben sich als brauchbare Moleküle erwiesen. Sie führen, angetrieben durch Belichtung, eine schlagende Bewegung aus. Die Richtung der Bewegung wird durch Einfallsrichtung und Schwingungsrichtung des eingestrahlten Lichts kontrolliert.

Herges: »Wir haben das Molekül komplett hergestellt, und es ›schaltet‹ wie gewünscht. Allerdings liegt es bisher nur in Lösung vor.« Jetzt sind die Physiker am Zug. Zunächst müssen sie die Moleküle auf einer glatten Goldoberfläche verteilen. Magnussen: »Wir untersuchen dann mit hoch auflösender Raster­tunnelmikroskopie, wie die Moleküle auf der Oberfläche sitzen und welche Abstände sie zueinander haben. In einem nächsten Schritt überprüfen wir, ob die Moleküle auch auf der Oberfläche die Schaltbewegung zeigen. Wenn das funktioniert, werden wir versuchen den Transport nachzuweisen.«

Zurzeit produzieren die Chemiker die dritte Generation Moleküle. Die Vorgänger schalteten im Praxistest nicht optimal. Herges ist optimistisch, dass es jetzt klappt. »Wir sind sicher, dass das Molekül okay ist. Aber es ist schwieriger zu synthetisieren.«

In der Zwischenzeit bauen Magnussen und sein Team ein Mikroskop, mit dem sich der Transport kleinster Teilchen untersuchen lässt.

Gleichzeitig stellt Dr. Anke Krüger, Juniorprofessorin für Organische Chemie, winzig kleine Diamanten her, um die Transportfunktion der künstlichen Flimmerhärchen zu testen. Sie sind rund 10 Nanometer klein, ein Haar ist zehntausendmal dicker. Die Schaltmoleküle sind noch kleiner, sie messen etwa 1,2 bis 1,5 Nanometer. Diamanten deshalb, weil sie die geeignete Größe besitzen. »Teilchen, die zu klein sind, könnten in die Lücke zwischen den Flimmerhärchen fallen und sich nicht mehr bewegen, und zu große Teilchen wären zu schwer für den Transport. Außerdem sind Diamanten stabil und kompakt«, so Herges. Anwendungen für die Nano-Förderbänder gäbe es zur Genüge. Zum Beispiel könnte man damit Bauteile für die Mikroelektronik genau positionieren.

Herges: »Die Kontrolle molekularer Bewegung auf Oberflächen ist eine der größten Herausforderungen der Nanotechnologie und die Voraussetzung für den Antrieb komplexerer Systeme.« Die Kieler Wissenschaftler sind nicht die einzigen, die Nanomaschinen in Bewegung bringen wollen. Erfolge stehen noch aus. »Die meisten versuchen, molekulare Autos zu bauen«, so Magnussen. Aber bis jetzt gebe es noch keines, das mit eigenem Antrieb fahre. Auf die Idee des Flimmerepithels sei bisher noch keiner gekommen, zumindest wurde noch nichts publiziert. Dabei habe der Ansatz einen besonderen Vorteil, da prinzipiell nicht nur ein Molekül, sondern viele gleichzeitig über die Oberfläche bewegt werden können.

Kerstin Nees
Künstliche Moleküle und natürliche Vorbilder
Mit 5,5 Millionen Euro fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft den neuen Sonderforschungs­bereich »Funktion durch Schalten« in den nächsten vier Jahren. Etwa 100 Kieler Chemiker, Physiker und Materialwissenschaftler werden hier mitarbeiten, um molekulare Maschinen und Schalter nach dem Vorbild der Natur zu entwerfen.

»Fast alle ingenieurtechnischen Funktionen sind auf molekularer Ebene verwirklicht «, erläutert der Sprecher des SFB, Professor Rainer Herges. In der Zelle gibt es molekulare Pumpen, Künstliche Moleküle und natürliche Vorbilder die Stoffe durch die Zellmembran transportieren oder Reparaturenzyme, die unsere Erbinformation kontrollieren und Fehler selbstständig reparieren. In dem SFB sollen grundlegende Aufgaben wie Transport, Speicherung und Informationsverarbeitung auf der Nanometer-Skala realisiert werden, die neue Möglichkeiten jenseits herkömmlicher Technologien eröffnen. Dazu werden neue schaltbare Moleküle für die speziellen Anwendungen maßgeschneidert und auf Oberflächen befestigt, in Hohlräume eingebaut oder in Polymermaterialien integriert. (ne)

www.sfb677.uni-kiel.de
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