Wissen
Wir verwenden Cookies und Analysetools, um die Nutzerfreundlichkeit der Internetseite zu verbessern und passende Werbung von watson und unseren Werbepartnern anzuzeigen. Weitere Infos findest Du in unserer Datenschutzerklärung.
Ein Motor, der nur aus 16 Atomen besteht: Atomares Strukturmodel eine einzelnen 4-atomigen Acetylen-Rotors (grau-weisse Kugeln) auf der chiral (d.h. händischen) PdGa Oberfläche (blaue Kugel -> Palladium, rote Kugeln -> Gallium).

Der kleinste Motor der Welt besteht aus nur 16 Atomen: Strukturmodell eines einzelnen 4-atomigen Acetylen-Rotors (grau-weisse Kugeln) auf der PdGa-Oberfläche (blaue Kugeln -> Palladium, rote Kugeln -> Gallium). Bild: Empa

Empa-Forscher bauen den kleinsten Motor der Welt – 100'000-mal dünner als ein Haar



Forscher der Empa haben den kleinsten Motor der Welt «gebaut». Er besteht aus 16 Atomen und misst nicht einmal einen Nanometer – ist also rund 100'000-mal dünner als ein menschliches Haar. Er könnte die Energiegewinnung auf atomarer Ebene möglich machen.

Das Besondere des Motors: «Er bewegt sich exakt an der Grenze zwischen klassischer Bewegung und Quantentunneln», wie die Empa in einer Mitteilung schreibt.

Eine molekulare Maschine wie dieser Motor wandelt wie seine grossen Brüder Energie in eine gerichtete Bewegung um. In seinem Fall dreht sich ein Acetylen-Rotor aus vier Atomen auf einem Stator aus 12 Palladium- und Gallium-Atomen. «Damit ein Motor tatsächlich nützliche Arbeit verrichten kann, ist zentral, dass der Stator dem Rotor erlaubt, sich nur in eine Richtung zu bewegen», erklärt Oliver Gröning, Leiter der Forschungsgruppe für funktionelle Oberflächen an der Empa.

Und das tut der Empa-Motor denn auch zuverlässig: «Der Motor weist eine Drehrichtungstreue von 99 Prozent auf, was ihn von anderen ähnlichen molekularen Motoren unterscheidet», sagt Gröning. Damit öffnet der molekulare Motor einen Weg zur Energiegewinnung auf atomarer Ebene.

Läuft mit Wärme oder Strom

Der winzige Motor kann sowohl mit thermischer als auch mit elektrischer Energie betrieben werden. Die Wärmeenergie sorgt dafür, dass die gerichtete Drehbewegung des Motors in Rotationen in zufällige Richtungen übergeht – bei Raumtemperatur etwa dreht sich der Rotor mit mehreren Millionen Umdrehungen pro Sekunde komplett zufällig hin und her.

Dagegen kann elektrische Energie, die durch ein Elektronenrastermikroskop, von dessen Spitze ein kleiner Strom in den Motor fliesst, wieder gerichtete Drehungen herbeiführen. Die Energie eines einzelnen Elektrons reicht dabei aus, um den Rotor gerade um eine Sechstelumdrehung weiterlaufen zu lassen.

abspielen

«Smallest Motor in the World.» Video: YouTube/EmpaChannel

Dabei gilt: Je höher die zugeführte Energiemenge, desto höher die Bewegungsfrequenz – doch zugleich wird es umso wahrscheinlicher, dass sich der Rotor in eine zufällige Drehrichtung bewegt, da er mit zu viel Energie die Sperrklinke auch in der «falschen» Richtung überwinden kann.

Motörchen bricht klassische Gesetze

Gemäss den Gesetzen der klassischen Physik gibt es allerdings eine Mindestenergiemenge, die notwendig ist, um den Rotor überhaupt erst in Bewegung zu setzen. Überraschenderweise konnten die Forschenden aber auch unterhalb dieser Grenze – bei Temperaturen unter 17 Kelvin (-256 Grad Celsius) beziehungsweise einer angelegten Spannung von unter 30 Millivolt – eine unabhängig gleichbleibende Rotationsfrequenz in eine Richtung beobachten.

Dies markiere den «Übergang von der klassischen Physik zu einem rätselhafteren Bereich: der Quantenphysik», schreibt das Forscherteam, das seine Erkenntnisse im Fachjournal PNAS veröffentlicht hat. Laut den Regeln der Quantenphysik können Teilchen «tunneln» – das heisst, der Rotor kann die Anfangssperre auch dann noch überwinden, wenn seine Bewegungsenergie im klassischen Sinn nicht ausreicht.

Molekularbastelei mit tieferem Sinn

Diese Tunnelbewegung verläuft normalerweise ohne jeglichen Energieverlust. Theoretisch müssten also in diesem Bereich beide Drehrichtungen gleich wahrscheinlich sein. «Doch erstaunlicherweise dreht der Motor weiterhin mit 99%-iger Wahrscheinlichkeit in dieselbe Richtung» – ein Zeichen, dass Energie verloren geht (dissipiert). Das dürfte nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik allerdings nicht sein, denn der besagt, dass die Entropie in einem abgeschlossenen System niemals abnehmen kann.

Wenn beim Tunneln keine Energie verloren geht, müsste die Drehrichtung des Motors rein zufällig sein. Es gilt der Umkehrschluss: «Dass die Drehung des Motors nach wie vor fast ausschliesslich in eine Richtung abläuft, deutet also darauf hin, dass auch bei der Tunnelbewegung ein Energieverlust stattfindet», so Gröning.

Damit haben er und sein Team nicht nur ein Spielzeug für Molekularbastler entwickelt. «Der Motor könnte es uns ermöglichen, die Vorgänge und Gründe von Energiedissipation bei Quantentunnelvorgängen zu untersuchen»» so der Empa-Forscher. (sda)

DANKE FÜR DIE ♥

Da du bis hierhin gescrollt hast, gehen wir davon aus, dass dir unser journalistisches Angebot gefällt. Wie du vielleicht weisst, haben wir uns kürzlich entschieden, bei watson keine Login-Pflicht einzuführen. Auch Bezahlschranken wird es bei uns keine geben. Wir möchten möglichst keine Hürden für den Zugang zu watson schaffen, weil wir glauben, es sollten sich in einer Demokratie alle jederzeit und einfach mit Informationen versorgen können. Falls du uns dennoch mit einem kleinen Betrag unterstützen willst, dann tu das doch hier.

Würdest du gerne watson und Journalismus unterstützen?

(Du wirst zu stripe.com umgeleitet um die Zahlung abzuschliessen)

Oder unterstütze uns mit deinem Wunschbetrag per Banküberweisung.

Nicht mehr anzeigen

DFAB House in Dübendorf

Neue Therapie-Methode gegen Gelbsucht bei Babys

Das könnte dich auch noch interessieren:

Abonniere unseren Newsletter

7
Bubble Weil wir die Kommentar-Debatten weiterhin persönlich moderieren möchten, sehen wir uns gezwungen, die Kommentarfunktion 48 Stunden nach Publikation einer Story zu schliessen. Vielen Dank für dein Verständnis!
7Alle Kommentare anzeigen
    Alle Leser-Kommentare
  • Nate Smith 17.06.2020 06:24
    Highlight Highlight Die Frage ist nun wie man damit etwas antreibt. Das Ethinmolekül ist ja sehr einfach. Spannend wäre zu wissen ob es mit einer terminalen C-C Dreifachbindung auch noch funktioniert? Irgendwo muss die Arbeit ja hin.
  • Choume 16.06.2020 23:16
    Highlight Highlight Ein tatsächlich informativer und interessanter Artikel. Schwer zu finden zwischen all dem Drama & der Panikmache der letzten Zeit. Danke
  • Peter Vogel 16.06.2020 22:34
    Highlight Highlight Gibt es schon konkrete Anwendungen für solche Motoren?
    • Influenzer 17.06.2020 11:38
      Highlight Highlight Ja, nächste Woche gibts bei Obi den ersten Quantenrasenmäher zu kaufen.
  • Zeit_Genosse 16.06.2020 21:39
    Highlight Highlight Krass. Als ich das erste Mal ein Atom „sah“ beim csem, explodierte mir das Gefühl für Gefüge, Beziehungen, Abhängigkeiten und Raum. Unfassbar und doch sind sie überall und alles zu gleich. Echt cooler shit der da an der „Quantengrenze“ gemacht wurde.
    • reactor 16.06.2020 22:05
      Highlight Highlight Das war mein erster Gedanke den ich schreiben wollte: krass 🤣.
  • Lord_Mort 16.06.2020 21:21
    Highlight Highlight Danke für diesen spannenden Artikel! 👌

US-Polizei schiesst mit Gummischrot auf Schweizer Journalisten – Botschafter einbestellt

Die Schweiz hat beim US-Botschafter interveniert, nachdem ein Schweizer Journalisten-Team in Minneapolis von der Polizei mit Gummischrot angegriffen wurde.

Ende Mai war ein Team des Schweizer Fernsehens in Minneapolis, um über die Demonstrationen gegen Rassismus und Polizeigewalt zu berichten. Die Stimmung war angeheizt. Das Reporterteam, bestehend aus dem Westschweizer RTS-Journalisten Gaspard Kühn, RSI-Mann Max Huber und Kameramann Jean-Pascal Azaïs, geriet zwischen die Fronten.

Die Journalisten wollten sich aus der unangenehmen Lage befreien. Sie liefen mit Presseausweis auf die Polizei zu und riefen «Press!». Dass sich die Medienschaffenden …

Artikel lesen
Link zum Artikel