Ob Roboter aus DNA, lichtgetriebene Rotormoleküle oder Autos im Molekülmaßstab: Die Natur und unser Zellstoffwechsel sind Vorbild für molekulare Maschinen, die Energie in Bewegung und mechanische Arbeit umwandeln können. Als Antrieb dienen dabei chemische oder thermische Gradienten, elektromagnetische Wellen wie das Licht oder auch elektrischer Strom. Diese extreme Form der Miniaturisierung gilt als vielversprechender Ansatz für die Konstruktion neuartiger elektronischer Bauelemente und elektrochemischer Systeme, aber auch für Werkzeuge in der Mikromedizin.
Ein Helicenmolekül als archimedische Schraube
Jetzt haben Physiker einen neuen Typ molekularer Maschinen konstruiert: eine archimedische Schraube im Molekülmaßstab. Die in der Antike entwickelte archimedische Schraube kann durch ihre Drehung Wasser aufwärts transportieren und diente jahrhundertelang als Hilfsmittel beispielsweise in der Bewässerung. Das Team um Anil Kumar Singh vom Weizmann Institute of Science in Israel hat dieses Prinzip nun erstmals auf die Molekülebene übertragen.
Kernelement der molekularen Archimedes-Schraube ist ein sogenanntes Helicen-Molekül – ein aus mehreren miteinander verbundenen Benzolringen bestehendes Kohlenwasserstoffmolekül. Durch verbindende Schwefelatome konstruierten Singh und sein Team daraus ein schraubenförmiges Gebilde, das sie zwischen zwei atomar feinen Goldspitzen drehbar aufhängten. Je nach Abstand dieser beiden Goldelektroden konnten sie die molekulare Schraube strecken oder stauchen.
Helicene sind schraubenförmige Moleküle aus miteinander verbundenen Benzolringen. — © Zuloo37/ Wikimedia, CC-by-sa 3.0
Steuerbarer Transport von Elektronen
Anders als ihr antikes Vorbild transportiert die molekulare Archimedes-Schraube aber kein Wasser, sondern Elektronen: Wird an die Goldelektroden eine geringe Spannung angelegt, beginnt sich das Schraubenmolekül zu drehen – erst schrittweise und ruckelnd, dann kontinuierlich. Angetrieben wird diese Bewegung von den Elektronen, die durch das Molekül fließen, wie die Physiker feststellten. Die Elektronen übertragen ihren Drehimpuls auf die Windungen des Schraubenmoleküls und setzen es so in Bewegung.
Die Richtung der Schraubenddrehung lässt sich gezielt steuern: Polt man die zwischen den Goldelektroden fließende Spannung um, wechselt auch die Drehrichtung der Molekülschraube. „Wir präsentieren damit einen molekularen Rotor, der eine perfekte Unidirektionalität aufweist“, konstatieren Singh und seine Kollegen. „Bemerkenswert ist, dass es sich hierbei um den ersten stromgetriebenen molekularen Motor handelt, bei dem eine Umkehrung der Stromrichtung auch die Drehrichtung der molekularen zyklischen Bewegung umkehrt.“
Abrupter Sprung in der Leitfähigkeit
Etwas Überraschendes zeigte sich jedoch, als die Physiker ihre molekulare Archimedes-Schraube dehnten oder stauchten: „Wir haben erwartet, dass die durch das Drehmoment verrichtete Arbeit bei einer bestimmten Steigung der Windungen optimal wird“, erklärt das Team. Tatsächlich variierten die Drehgeschwindigkeit der Schraube und damit der Elektronendurchfluss je nach Moleküldehnung. Anders erwartet kam es dabei jedoch zu einer sprunghaften Veränderung: Bei einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit stieg der Stromfluss sprunghaft um bis zum Hundertfachen an.
Aber warum? „Erst im engen Zusammenspiel von Experiment und Theorie ließ sich das Rätsel des Stromanstiegs lösen“, erklärt Co-Autor Yuta Ito von der Universität Augsburg. Mithilfe von quantenmechanischen Computersimulationen fanden die Physiker heraus, dass der Elektronentransport vom Winkel der molekularen Schraubenwindungen abhängt. Dabei springt die Leitfähigkeit ausgerechnet dann, wenn die Energiebarrieren im Molekül eigentlich am höchsten sind.
„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 Itos Kollege Léon Martin.
Wozu die molekulare Archimedes-Schraube nützlich sein könnte
Nach Ansicht der Physiker birgt ihre archimedische Schraube für Elektronen das Potenzial für neuartige elektronische Bauelemente. „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 Co-Autor Fabian Pauly von der Universität Augsburg.
Mögliche Anwendungen sehen die Forschenden unter anderem in der Spintronik sowie in mikrofluidischen Systemen. „Arrays aus mehreren solcher Maschinen auf Oberflächen, die in eine Richtung rotieren, könnten beispielsweise den Transport von Fluiden an Grenzflächen unterstützen“, erklärt das Team. Die neuen Miniatur-Maschinen bieten aber auch neue Möglichkeiten zur Erforschung grundlegender physikalischer Prozesse auf atomarer Skala.
Quelle: Anil Kumar Singh (Weizmann Institute of Science, Rehovot) et al., Nature, 2026; doi: 10.1038/s41586-026-11312-x
