Das kleinste “Auto” der Welt ist klein. Winzig klein. Nicht bloß mikroskopisch klein, sondern kleiner. Also wirklich richtig mini-klein, es besteht nämlich nur aus einem einzigen Molekül. Hier ein Bericht über die erste Testfahrt.

ResearchBlogging.orgO.k., was Kofferraum und Zahl der zu befördernden Personen angeht, kann es mit einem handelsüblichen Auto wie dem 1500TM nicht mithalten. Und auch auf einer handelsüblichen Straße (“Schlagloch bleibt Schlagloch”) kann dieses Nanoauto nicht fahren – stattdessen fährt es auf der Oberfläche eines Kupferkristalls.

Werfen wir erst mal einen Blick auf das neue Fahrzeug. Es besticht durch geradezu zeitloses Design im Crum-Brown-Stil

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Die Schemazeichnung oben im Bild verdeutlicht die Struktur des Autos. Es verfügt über vier Räder, an jeder Ecke eins (das wiederum erinnert an den berühmten OMW 2000). Sie bestehen allerdings nicht aus Gummi (dessen Moleküle wären zu lang und verknäult), sondern aus drei aneinander gebundenen Molekülringen, die über eine einzelne Doppelbindung an den Fahrwerkteil unseres Moleküls gekoppelt sind – diese Doppelbindung ist die Achse, entlang derer die Räder sich drehen.

Das sieht man etwas deutlicher hier in diesem Bild des rechten Hinterrades:

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Rot ist die Drehachse markiert, in blau sieht man eine Wechselwirkung zwischen einer Seitengruppe (eine Kohlenwasserstoffkette C6H13) und einem Teil des Rades. Diese Wechselwirkung ist jeweils für die Hälfte der Radumdrehung zuständig, wie wir gleich sehen werden.

Um den Drehmechanismus zu verstehen, werfen wir einen Blick auf das nächste Bild:

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Dies zeigt das Rad in der Seitenansicht. Wir starten links oben. Durch elektronische Anregung (dazu komme ich gleich) kommt es zu einem Verkippen der Ringe um eine Vierteldrehung. (Das Fachwort im Bild lautet “double-bond isomerization” – wenn ich das richtig verstehe bedeutet das, dass sich die Bindung löst und in anderer Form neu wieder bildet.) Dann kommt es durch Schwingungen des Moleküls und Wechselwirkung mit der oben blau markierten Seitenkette (die hier im Bild verkürzt als ein schwarzes Kohlenstoffatom zu sehen ist) zu einer weiteren Drehung der Seitengruppe, die jetzt also um 180° verdreht ist, und das Spiel kann von vorn losgehen. Dass die Drehung immer nur in eine Richtung funktioniert, liegt an der nicht spiegelsymmetrischen Form des Moleküls – ich gebe aber freimütig zu, dass die chemischen Details jenseits meiner Fähigkeiten liegen.

Das Rad kann sich also drehen, und wenn man das mit allen vier Rädern macht, dann passiert das, was auch beim makroskopischen Auto passiert, wenn sich alle vier Räder drehen: Es fährt vorwärts. Anstatt einen mörderischen 30 Meter langen Testparcours zu durchfahren, fährt das Molekül im Experiment allerdings nur eine relativ kurze Strecke von etwa 6 Nanometern (was natürlich vom Umweltaspekt her abzulehnen ist, so kurze Strecken könnte man ja auch zu Fuß gehen), wie dieses Bild zeigt:

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In zehn Schritten (also Umdrehungen der Räder) kommt man auf nicht ganz geradem Wege immerhin ein bisschen vorwärts.

Wenn ihr noch einmal auf das Molekülbild oben schaut, dann fällt euch vielleicht etwas auf (oder ihr fragt euch das eh schon die ganze Zeit): Irgendwie fehlt dem Auto der Motor – wo sitzen denn die PS (neumodisch kW)?

Tja, in technisch etwas unpraktischer Konstruktion hat das Molekül-Auto leider keinen Motor an Bord, dafür ist es einfach zu klein. Angetrieben wird es von Außen, nämlich durch die Nadel eines Rastertunnelmikroskops:

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So ein Tunnelmikroskop hat eine dünne Spitze (der Knubbel oben im Bild, dünn ist halt relativ), von der aus Elektronen in das Kupfersubstrat durchtunneln (nein, da wird kein neuer Neutrino-Tunnel gegraben, aber das funktioniert per Tunneleffekt). Wenn sie dabei das Auto-Molekül treffen, dann regen sie es energetisch an – das sind die ominösen “elektronischen Anregungen”, die oben die erste Vierteldrehung des Moleküls ausgelöst haben.

Nicht jedes der Autos, die aus der Chemiefabrik kommen, kann tatsächlich fahren – weil die Rad-Seitengruppen ja nicht spiegelsymmetrisch sind, man aber die Symmetrie nicht steuern kann, gibt es immer auch Autos, deren Räder verkehrt herum angebracht sind und sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, so dass die Autos nicht von der Stelle kommen, sondern sich nur unkontrolliert drehen. Und selbst ein richtig zusammengebautes Molekül fährt nur in 50% der Fälle – die Autos werden nämlich einfach auf die Kupferstraße geschüttet, so dass die Hälfte mit dem “Dach” nach unten landet. Wenn die in einer echten Autofabrik hergestellt würden, dann könnten die Unternehmensberater mal tatsächlich was optimieren – im VW-Werk ist mir so etwas jedenfalls nicht aufgefallen…

Insgesamt ist das Ganze also eine ziemlich trickreiche Konstruktion. Wozu sie gut ist? Falls Atome mal in Urlaub fahren wollen, können sie das jetzt stilvoll im eigenen Wagen tun (vorausgesetzt, ein freundlicher menschlicher Bediener versorgt sie mit Tunnel-Elektronen). Ernsthafte Anwendungsmöglichkeiten werden nicht mal in der Nature-Veröffentlichung erwähnt – es geht hier mehr darum, die prinzipielle Möglichkeit zu erproben. Aber wer weiß, vielleicht hat irgendjemand eine brillante Idee, und in ein paar Jahren oder Jahrzehnten sausen lauter Molekülautos durch unsere Wohnungen oder unsere Körper.


Kudernac, T., Ruangsupapichat, N., Parschau, M., Maciá, B., Katsonis, N., Harutyunyan, S., Ernst, K., & Feringa, B. (2011). Electrically driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surface Nature, 479 (7372), 208-211 DOI: 10.1038/nature10587

Kommentare (17)

  1. #1 WolfgangK
    12. November 2011

    Da saß wohl jemandem beim Schreiben der Schalk im Nacken. Ich würde mir ja nie ein solches Auto kaufen. Drehende Molekülteile statt Räder ist bestimmt nicht so doll für meinen Rücken. Ganz zu schweigen von dem Gehüpfe über die Kupferkristallautobahn. Außerdem würde ich mich unter einer solchen Damokles-“Nadel” dauerhaft unwohl fühlen…

  2. #2 rolak
    12. November 2011

    Starke Kombination von Information und Unterhaltung! Da leidet keine Seite, nur das Behalten geht leichter.

  3. #3 edlonle
    14. November 2011

    Wirklich schade dass mein Vater nicht mehr lebt. Er war Dr. der Chemie und hat meine Begeisterung für die Wissenschaften geweckt. Er hat mir genau dies vor mehr als 40 Jahren prophezeit, dass es später Nano-vehikel geben könnte, die verschiedene Anwendungen ermöglichen. Aber ich glaub selbst in Seinen kühnsten Träumen hätte Er nicht daran gedacht dass es Diese in Molekül-größe geben könnte.

    Gibt’s den auch mit Heckspoiler und tiefer gelegt?

  4. #4 Max
    14. November 2011

    Unglaublich spannende Sache so was. Aber eine Frage stellt sich mir da wenn ich so über die Wissenschaftsszene blicke: wer finanziert so was? Wenn Wissenschaftler immer so Probleme haben an genügend Gelder zu kommen(liest sich jedenfalls aus anderen Blogeinträgen hier bei Scienceblogs) wie kommt es dann, dass so etwas “relativ” unrentables erforscht wird?

    Und das ist jetzt keine Kritik sondern ein “MEHR DAVON!” an solche gleichzeitig Unterhaltsamen und Informativen/Erstaunlichen Sachen:)

    Liebe Grüße

  5. #5 MartinB
    14. November 2011

    @Max
    Forschungsorganisationen finanzieren ja auch Grundlagenforschung. Im paper selbst steht
    “This research was supported by the Netherlands Organization for
    Scientific Research (NWO-CW) (B.L.F. and T.K. through a VENI grant), the Swiss
    Secretary for Education and Research and the Swiss National Science Foundation
    (K.-H.E. and M.P.), and the European Research Council (ERC advanced grant 227897 to B.L.F.)”

    Wie sowas prinzipiell geht, habe ich mal vor einiger Zeit erklärt:
    http://www.scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2010/11/forschungsgelder.php

  6. #6 Fossilium
    14. November 2011

    Hi Martin,
    bist Du sicher, dass da ein Molekül mit Räden gesehen wurde ?
    Im Rastertunnelmikroskop werden meines Wissens nach Elektronenströme gemessen, daraus berechnet ein Computer Abstände, und aus der Rasterung berechnet er üblicherw. das 3d-Bild einer Oberfläche.
    Selbst wenn das Ganze im Vidofilm auch noch 3-dim. in Echtzeit vom Computer berechnet wurde, so sieht man dann das Molekül immer noch nicht. Direkt sehen kann man die Zeigerausschläge eines Messgerätes (Strommessgerät). Hier sehe ich die Zeichnung eines Comuters, also das Ergebnis eines Softwareprozesses und gedanklicher Konstruktion, alles in allem viel Deutung.
    Grüsse Fossilium

  7. #7 perk
    15. November 2011

    wo liegt der fundamentale unterschied zwischen computerrechnungen und anregungsmustern von neuronen?

  8. #8 perk
    15. November 2011

    p.s. du kannst die erklärung auch gleich in nem journal veröffentlichen, denn das wären großartige neuigkeiten, dass das als unlösbar geltende qualia-problem endlich doch gelöst wurde

  9. #9 rolak
    15. November 2011

    Oder anders gefragt, Fossilium: Worin unterscheidet sich der von Dir beschriebene Prozeß von dem, der bei ‘normalem’ Filmen stattfindet?

  10. #10 MartinB
    15. November 2011

    @Fossilium
    Was man “sieht”, erkennt man ja oben in den Bildern. Die Molekülstruktur hat man entsprechend so hergestellt, wie in der Zeichnung zu sehen (sowas können Chemiker). Das Rollen der Räder hat man direkt nicht beobachtet, da aber die Rollstrecke ziemlich genau zu dem passt, was man erwartet (zurückgelegte Distanz pro Umdrehung) darf man wohl davon ausgehen, dass das Molekül tatsächlich fährt.
    Den rest haben perk und rolak ja eigentlich schon gesagt.

  11. #11 Fossilium
    15. November 2011

    Hi perk, rolak und Martin,

    ich sehe doch um eine Computersimulation, oder nicht ?

    Sehe ich eine “Elektronendichteverteilung” ?

    Sollen wir dann, ohne darüber nachzudenken, unterstellen, dass der Programmierer alle Formeln über das klassische oder quantenmechanische Verhalten des Moleküls richtig einprogrammiert hat ?

    Ich weiss ehrlich nicht, was ich da sehe. Solange ich das nicht weiss, bleibe ich kritisch.

    Die Leistung des Experimentatoren wird dadurch nicht im Geringsten geschmälert.

    Grüsse Fossilium

  12. #12 MartinB
    15. November 2011

    @Fossilium
    In dem verwaschenen Bild mit der zurückgelegten Strecke siehst du doch das gelbliche Molekül direkt, so direkt das halt mit nem STM geht. Im Prinzip ist das aber doch nichts anderes als wenn du ein Bild mit deiner Digikam machst.
    Sehe das Problem nicht – nur was man mit bloßen Auge sehen kann, ist real?

  13. #13 Fossilium
    15. November 2011

    Hi Perk,
    ich denke, solange wir alle weitestgehend übereinstimmende Neuronen-Anregeungsmuster beim Hinsehen haben, und uns unser Gehirn nach Vergleich mit gespeicherten Mustern ein gleichartiges Gedankenbild liefert, und wir dafür beide den gleichen Begriff haben, dann sagen wir: wir sehen dasselbe. Aber mein Gehirn
    vergleicht vielleicht mit etwas anderen gespeicherten Mustern als Deines, und ich sage dann: ich sehe hier vielleicht etwas anderes.
    Hi rolak,
    im Prinzip konstruieren wir die “Wirklichkeit” – was immer das ist – in unseren Köpfen alle gleich. Wir machen uns also alle das Gleiche vor. Deshalb gibt es keinen Streit.
    Hat die Natur gut eingerichtet. Meistens schliessen wir alle aus einem Film in gleicher Weise auf die gefilmte “Realität” zurück. Erfahrene Beobachter erkennen dabei, ob es eine Computersimulation, eine in der Realität nachstellte Szene, oder Science Fiction handelt. Wir können demnach – je nach Erfahrung – auf unterschiedliche “Realitäten” zurückschliessen. Dsa ist ganz normal.
    Ich sehe hier einen Film, den ich nicht deuten kann. Er fällt etwas aus dem Rahmen.
    Der Rückschluss auf die “Realität” – was immer das ist – fällt mir offenbar schwerer als Dir oder Martin. Deshalb habe ich eine Vorsicht angemeldet. Es kann daran liegen, dass ich früher selbst an Elektronenmikroskopen gearbeitet habe. Da haben wir uns oft mit der Realität vertan.
    Grüsse Fossilium

  14. #14 perk
    15. November 2011

    Hi Perk,
    ich denke, solange wir alle weitestgehend übereinstimmende Neuronen-Anregeungsmuster beim Hinsehen haben, und uns unser Gehirn nach Vergleich mit gespeicherten Mustern ein gleichartiges Gedankenbild liefert, und wir dafür beide den gleichen Begriff haben, dann sagen wir: wir sehen dasselbe. Aber mein Gehirn
    vergleicht vielleicht mit etwas anderen gespeicherten Mustern als Deines, und ich sage dann: ich sehe hier vielleicht etwas anderes.

    das ist keine antwort auf meine frage

    Es kann daran liegen, dass ich früher selbst an Elektronenmikroskopen gearbeitet habe.

    inwiefern?
    n stm hat doch jeder physiker mal benutzt, das ist nix besonderes… warum der abbildung da weniger zu trauen sein soll, als nem ccd chip oder ner retina wurde mir bei meinen erfahrungen damit nicht bewusst

  15. #15 Fossilium
    15. November 2011

    Hi perk,
    welche Antwort willst Du ?
    Es ist klar, dass es solche und solche “Beobachtungen” gibt. Wir haben mit einem Transmissionelektronenmikroskop gearbeitet. Darin werden die Elektronen an den Atomen des Präparats gestreut und machen auf dem Bildschirm eine unmittelbare Abbildung des Objekts. Zwischen dem Tasten und Abbilden war kein Computer geschaltet und keine Bildverarbeitung, man “sieht” die Strukturen “direkt”. Aber bereits bei einer Digitalkamera habe ich zwischen den lichtempf. Sensoren und dem Abbild ein Computerprogramm, das mir Kontraste, Farben, Schattierungen, Helligkeit, Schärfe usw. manipuliert. Das Bild ist weniger “direkt”. Im Tunnelmikroskop habe ich gar keine direkte Abbildung mehr, alles ist berechnet. Ist ja auch nützlich und kann man so machen. Aber je mehr ich zwischen der Abtastung und meinem Auge an Apparatur habe, desto kritischer muss ich doch sein. Ich kann auf dem Vidofilm das Drehen der Räder nicht sehen ! Vielleicht bewegen die sich ganz anders. Das Bild allein liefert mir die Info nicht. Marin hat alles schön erklärt, aber warum soll ich ihm das alles glauben ? Weil er ex Kathedra spricht ?
    Man muss immer schön kritisch bleiben als Wissenschaftler, erst seinen eigenen Ergebnissen gegenüber und genauso denen anderer. Auch deshalb bin ich hier. Damit ich Kritk erfahre.
    Grüsse Fossilium

  16. #16 Lars Fischer
    16. November 2011

    Der Drehvorgang des Rades ist im Beitrag nicht ganz korrekt dargestellt.

    Die “Räder” bestehen aus Fluorenyl-Gruppen, die über eine (nicht frei drehbare) Doppelbindung an den Hauptkörper des Moleküls gekoppelt sind. Allerdings sind sie durch die raumfüllenden Kohlenwasserstoffketten aus ihrer idealen Position gedrängt und gegenüber ihrer normalen Lage verdreht. Diese Verdrillung kann im oder gegen den Uhrzeigersinn stattfinden. Asymmetrien im restlichen Molekül (mit (R) und (S) gekennzeichnet) bewirken, dass eine der beiden Positionierungen stabiler ist als die andere – im Bild oben die im Uhrzeigersinn.

    In dieser Startposition bewirkt ein elektrischer Puls aus der Spitze des Rastertunnelmikroskop, dass die die Doppelbindung isomerisiert, also sich kurz löst und das “Rad” eine halbe Drehung macht. Das kann es (wegen der großen Kohlenwasserstoffkette) nur in eine Richtung. Nach dieser Drehung ist das Molekül wieder verdrillt, allerdings nun gegen den Uhrzeigersinn, in der energiereicheren Position. Thermische bewegungen bewirken nun, dass sich das “Rad” über die Kohlenwasserstoffkette hinweg in die stabilere Position dreht (Helixinversion). Und so weiter. Nach zwei solchen Zyklen hat sich das “Rad” um 360 Grad gedreht.

  17. #17 MartinB
    16. November 2011

    @Lars
    Danke für die Klarstellung.
    Meinst du hier
    “dass die die Doppelbindung isomerisiert, also sich kurz löst und das “Rad” eine halbe Drehung macht. ”
    Nicht eine Vierteldrehung? Die Helixinversion macht dann doch das zweite Viertel der Drehung.

    @Fossilium
    Nur zur Klarstellung: Niemand behauptet, er habe die Räder sich drehen gesehen. Aber man hat das Molekül so konstruiert, dass es diesen Mechanismus haben kann, hat den Mechanismus dann in Aktion beobachtet, also geht man davon aus, dass es auch so funktioniert. Eigentlich der klassische Wissenschaftszyklus:
    Theorie (Molekül mit dieser Struktur müsste drehbare Räder haben)
    Vorhersage (Molekül sollte fahren können)
    Experiment (fährt Molekül wirklich?)
    Bestätigung der Theorie (ja, Molekül fährt)
    Wer jetzt behauptet, dass Molekül würde mit einem anderen Mechanimsus fahren, ist in der Pflicht, die Experimente mit einer spezifischen alternativen Theorie zu erklären.
    Letztlich agieren wir im Alltag auch nicht anders:
    Handy geht nicht – Theorie: Akku leer – Vorhersage: Akku laden, dann geht’s wieder – Experiment: Akku laden – Bestätigung: Jawoll, geht wieder, Schlussfolgerung, der Akku war wirklich leer. Bewiesen habe ich nicht, dass der Akku leer ist, aber wer eine andere Theorie hat, muss dann erklären, was los war. (Ist ja möglich: Händy hat Wackelkontakt, beim Akku-Laden habe ich den wieder hingewackelt, aber das können dann erst weitere Experimente be- oder widerlegen.)