Forschende aus Israel, Dänemark und Deutschland berichten von einem Einzelmolekül-Motor, der sich bei Stromfluss dreht und mit der Spannung die Richtung wechselt – seine Drehung erhöht die Leitfähigkeit um bis zu zwei Größenordnungen.
Ein Forschungsverbund hat einen molekularen Motor vorgestellt, der sich dreht, wenn elektrischer Strom durch ihn fließt, und seine Drehrichtung umkehrt, sobald die Polarität der Spannung gewechselt wird. Das Design orientiert sich an der Archimedischen Schraube, dem antiken Spiralgerät zum Heben von Wasser: Elektronen, die durch ein spiralförmiges Molekül wandern, übertragen demnach Drehimpuls auf dieses und versetzen es in Rotation. Das nur wenige Millionstel Millimeter lange Molekül wurde von der Gruppe von Prof. Michael Pittelkow an der Universität Kopenhagen entwickelt und bindet über Schwefelatome an Gold. Am Weizmann-Institut in Israel hielt ein Team um Prof. Oren Tal und Dr. Anil Kumar Singh einzelne Moleküle zwischen zwei auf atomare Dimensionen geschärften Goldspitzen und zeigte, dass die Rotation kontinuierlich wurde, sobald die Spannung eine Schwelle überschritt. Elektrisch angetriebene Molekülmotoren gibt es seit 2011, doch diese arbeiteten auf Oberflächen und stützten sich auf die Spitze eines Rastertunnelmikroskops; die neue Arbeit gilt als erste, die einen stromgetriebenen Motor zeigt, der fest mit zwei Elektroden verbunden ist und eine steuerbare Drehrichtung besitzt.
Die Experimente brachten zudem einen unerwarteten Effekt zutage: Das rotierende Molekül leitete Strom deutlich besser als ein ruhendes. Zur Erklärung führte ein Team um Prof. Fabian Pauly an der Universität Augsburg quantenmechanische Simulationen auf einem Supercomputer durch und stellte fest, dass die Leitfähigkeit stark vom Winkel des Moleküls abhängt und während der Rotation um bis zu zwei Größenordnungen, also etwa das 100-Fache, steigt. Den Forschenden zufolge sind einige der Ausrichtungen mit der besten Leitfähigkeit gerade solche, die das Molekül in Ruhe von Natur aus meidet; erst die Rotation macht sie zugänglich. Die Theoretiker Per Hedegård vom Niels-Bohr-Institut und Jing-Tao Lü von der Huazhong-Universität für Wissenschaft und Technologie entwickelten anschließend ein vereinfachtes Modell, das sowohl die Rotation als auch den gemessenen Stromanstieg reproduzierte. Nach Aussage der Forschenden zeigt die Arbeit, dass ein elektrischer Strom eine gerichtete Drehung erzeugen kann und dass diese Drehung ihrerseits den Strom steuert.
Das Team hält es für möglich, dass das Ergebnis langfristig in molekulare elektronische Bauteile, in die Spintronik, die Elektroneneigenschaften jenseits der Ladung nutzt, und in mikrofluidische Systeme für winzigste Flüssigkeitsmengen einfließt, und sieht darin einen neuen Zugang zur Untersuchung physikalischer Prozesse auf atomarer Ebene. Das sind Perspektiven, keine Produkte: Die Demonstration betrifft einzelne Moleküle zwischen Laborelektroden, Anwendungen in Geräten wurden nicht gezeigt. Dieser Bericht beruht auf einer Pressemitteilung der Universität, wie sie ScienceDaily veröffentlicht hat; der von uns gelesene Text nennt die Fachzeitschrift nicht, und wir haben die Ergebnisse weder unabhängig überprüft noch die zugrunde liegende Studie gesehen, die Details sind daher mit Vorsicht zu behandeln. Die Forschung wurde unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Europäischen Forschungsrat und der Israel Science Foundation gefördert.
