Stockholm Nano-Maschinen werden Wirklichkeit
Stockholm · Eine sensationelle Erfindung beschert drei Moleküldesignern den Nobelpreis für Chemie.
Die Nobelpreisträger 2016
Das Nobelpreis-Komitee in Stockholm wird gern mit dem Adjektiv ehrwürdig beschrieben, was gemeinhin die Seriosität dieser mehr als 100 Jahre alten Einrichtung unterstreicht. Doch bei der Vergabe des Nobelpreises für Chemie sind die Juroren aus ihrem eigenen Schatten getreten und haben sich für einen Ausflug in eine scheinbar ferne Zukunft entschieden. Sie vergaben die Auszeichnung an drei Forscher, die die Grundlage für eine neue Generation von Maschinen im Miniaturformat gelegt haben: Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart und Ben Feringa. Ihre Erfindungen messen das Tausendstel vom Durchmesser eines Haares und können nur mit Spezialmikroskopen beobachtet werden. Aber sie existieren.
In ihrer Laudatio wählte die Jury eine gewagte Parallele. Der Entwicklungsstand dieser Maschinen sei vergleichbar mit den Anfängen des Elektromotors in den 1850er Jahren. Die ersten Ingenieure, die damals Strom in Bewegung verwandelten, hätten nicht gewusst, welche vielfältigen Anwendungen ihre elektrischen Maschinen später haben würden: Waschmaschinen, Staubsauger, Lokomotiven und Autos, Elektromotoren sind überall. Dieser Fortschritt hat das Leben der Menschen während der industriellen Revolution und später dramatisch verändert. Andere Experten bevorzugen den Vergleich mit den ersten Flugmaschinen, die unsere Verkehrs-Infrastruktur auf den Kopf stellten.
Eine der jüngsten Erfindungen ist vielleicht der Spektakulärste unter den Winzlingen. Der Niederländer Ben Feringa von der Universität in Groningen stellte 2014 ein kleines Auto vor und fuhr damit über die Oberfläche eines winzigen Kristalls. Die vier Räder des Fahrzeugs bilden kleine Motoren. Sie bestehen aus Molekülen, die sich drehen, wenn sie mit UV-Licht bestrahlt werden. Weil sie sich immer in die gleiche Richtung bewegen, können sie als Motoren eingesetzt werden.
Der Ideenreichtum der holländischen Arbeitsgruppe des 64-jährigen Preisträgers ist nicht erschöpft. Im Vorjahr befestigten die Wissenschaftler ihre Räder an einem 28 Mikrometer langen Glaszylinder. Obwohl die Last 10.000 Mal größer war als die Motoren, ließ sie sich von den Mini-Maschinen kontrolliert bewegen. Der Schotte Fraser Stoddart, der heute in den USA arbeitet, hat einen kleinen Aufzug konstruiert, der 0,7 Nanometer hochfahren kann. Aus der Arbeitsgruppe des 74-Jährigen stammt eine Muskel-Maschine, die sich zusammenzieht, wenn sich der pH-Wert verändert und dabei Membranen bewegen. Es gibt Moleküle, die sich aufwickeln, wenn sie mit Licht bestrahlt werden und sich deshalb vielleicht als Energiespeicher eignen.
Die Heimat solcher Nano-Maschinen war bisher die Science-Fiction-Literatur. Auf dem Blatt Papier sind die Zwerge schnell gezeichnet, aber schon der Bau eines Prototyps erwies sich als unlösbares Problem. Wie sollte man die winzigen Werkzeuge für ihren Bau herstellen? Wer sollte sie führen? Woher beziehen sie ihre Energie für Bewegung, und wie sollen sie gesteuert werden? Die Antworten darauf sind der Kern des Nobelpreises: Sie stammen aus der Chemie und passen deshalb in die Kategorie dieser Art der Grundlagenforschung.
Zwei der drei Forscher haben bemerkenswerte Interviews gegeben, über ihr Selbstverständnis und über ihren Blick auf diese vermeintlich so trockene Naturwissenschaft. Ben Feringa wurde auf einem Bauernhof groß und verbindet Chemie vor allem mit Kreativität. "Die Kraft der Chemie besteht nicht nur im Verständnis der Natur, sondern vor allem in der Fähigkeit, bisher unbekannte Moleküle und Materialien herzustellen", sagt er. Fraser Stoddart hat eine ähnliche Vita. Er wuchs auf einer Farm in Schottland ohne elektrischen Strom auf. Der Junge beschäftigte sich intensiv damit, wie einzelne Teile exakt aneinanderpassen: Er liebte Puzzles. Stoddart bezeichnet sich selbst als Künstler, der mit Molekülen arbeitet. Er fertige seine Skulpturen aus Atomen.
Die drei Forscher sind am besten als Moleküldesigner zu beschreiben. Sie haben Moleküle entworfen und die Herstellung mit clever gesteuerten chemischen Reaktion geplant. Jean-Pierre Sauvage gelang es, Ketten aus ringförmigen Molekülen zu bilden. Normalerweise werden die Ketten durch chemische Bindungen zwischen den Gliedern fixiert und dadurch zerbrechlich, aber Sauvages Moleküle bestehen wie ihr makroskopisches Vorbild aus freibeweglichen Ringen, die sich freiwillig zu einer Kette anordnen. 1994 gelang dem Franzosen eine Sensation. Er baute in seine Kette einen Ring ein, den er rotieren lassen konnte. Das Nobelkomitee bezeichnete diese Entdeckung als "Embryo molekularer Maschinen".
Wozu sich diese Nano-Maschinen nutzen lassen, darüber kann man heute nur spekulieren. Weil sie so klein sind, könnten sie jede Stelle im menschlichen Körper erreichen und dort ihren Dienst verrichten, etwa Mini-OPs vornehmen oder Medikamente gezielt ausliefern. Denkbar sind neue Materialien mit faszinierenden Eigenschaften. Die drei Forscher wollen nicht länger abwarten. Mittlerweile habe er mehr als 50 verschiedene Typen von Nano-Motoren entwickelt, sagte Feringa der Wissenschaftszeitung "Nature". Jetzt sei es an der Zeit, nach Anwendungen zu suchen.
