Die detaillierte Struktur eines molekularen Motors

  • Das künstliche Motormolekül (Ausschnitt) besteht aus 27 Kohlenstoff- und 20 Wasserstoffatomen. © Sérgio Domingos, DESY Das künstliche Motormolekül (Ausschnitt) besteht aus 27 Kohlenstoff- und 20 Wasserstoffatomen. © Sérgio Domingos, DESY

Mit Hilfe von Mikrowellen wurde die exakte Struktur eines molekularen Motors entschlüsselt. Die Nano-Maschine besteht aus einem einzigen Molekül mit 27 Kohlenstoff- und 20 Wasserstoffatomen (C27H20). Wie ein makroskopischer Motor besitzt sie einen Rotor und einen Stator, die mit einer Achse verbunden sind. Die Analyse zeigt nun, wie die einzelnen Teile des Mini-Motors genau aufgebaut und arrangiert sind. Die Funktion solcher Nano-Maschinen ergibt sich ganz offensichtlich aus ihren einzigartigen strukturellen Eigenschaften. Um die molekulare Maschinerie besser zu verstehen und zu optimieren, ist es wichtig, ihre genaue Struktur zu kennen und zu verstehen, wie sich diese Struktur während wichtiger mechanischer Schritte verändert. Vorzugsweise unter Bedingungen, unter denen das System nicht durch äußere Einflüsse gestört wird.

Das jetzt untersuchte Motormolekül ist sehr vielversprechend für eine Reihe von Anwendungen. Die Nano-Maschine wird durch Licht aktiviert und durchläuft dann eine Folge photochemischer und thermischer Schritte, durch die sie eine halbe Drehung vollführt. Ein erneuter Auslöser lässt den Motor dann eine komplette Rotation vollenden, so dass er in seine Ausgangsposition zurückkehrt.

So eine lichtgesteuerte Aktivierung erlaubt es, den Motor auf nicht-invasive und eng lokalisierte Weise fernzusteuern. Auch Anwendungen wie eine lichtgesteuerte Katalyse oder eine Bewegungsübertragung von der molekularen Ebene auf die makroskopische Welt wären interessante Perspektiven. Für solche Anwendungen ist es wichtig, die genaue Struktur und Arbeitsweise des Motormoleküls zu verstehen.

Der atomare Aufbau des Motormoleküls war bereits mit Röntgenstrahlung untersucht worden. Für diese Untersuchungsmethode mussten die Moleküle zunächst zu Kristallen gezüchtet werden. Die Kristalle beugen die Röntgenstrahlung dann auf charakteristische Weise, und aus dem resultierenden Beugungsmuster lässt sich die Anordnung der Atome berechnen. Im Gegensatz dazu wurden hier isolierte Moleküle in einem Gas untersucht, Auf diese Weise kann das Molekül frei von allen äußeren Einflüssen wie Lösungsmitteln oder chemischen Bindungen so gesehen werden, wie es wirklich ist.

Um die Struktur der Moleküle zu bestimmen, wurden sie einem resonanten Mikrowellenfeld ausgesetzt.

Es wurde ein elektromagnetisches Feld benutzt, um alle Moleküle kohärent in dieselbe Richtung auszurichten, und haben dann ihre Relaxation beobachtet, sobald das Feld abgeschaltet wurde. Das liefert die Rotationskonstanten des Moleküls, die wiederum genaue Informationen über seinen strukturellen Aufbau liefern.

Diese sogenannte Mikrowellenspektroskopie ist nicht simpel. Im Fall des Motormoleküls mussten mehr als 200 Linien im Spektrum mit quantenchemischen Modellrechnungen zur Deckung gebracht werden. Gemessen an der Zahl der Atome ist der molekulare Motor gegenwärtig das größte Molekül, dessen Struktur mit Hilfe der Mikrowellenspektroskopie gelöst worden ist.

Die Arbeit ist bei DESY und am Hamburger Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie durchgeführt worden, mit starker Beteiligung der Universitäten Amsterdam und Groningen in den Niederlanden. Der Hamburger Exzellenzcluster Centre for Ultrafast Imaging (CUI) und die Alexander-von-Humboldt-Stiftung haben die Arbeit unterstützt.

DESY erforscht die Struktur und Funktion von Materie vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen über das Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuniger und Nachweisinstrumente, an den Standorten in Hamburg und Zeuthen sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Originalveröffentlichung

Cold snapshot of a molecular rotary motor captured by high-resolution rotational spectroscopy; Sérgio R. Domingos, Arjen Cnossen, Wybren J. Buma, Wesley R. Browne, Ben L. Feringa and Melanie Schnell, „Angewandte Chemie”, 2017 (early view); DOI: 10.1002/anie.201706617

 

Vollständige Pressemitteilung.

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.