Maxwellscher Dämon lebt

Nanotechnik verwirklicht Gedankenexperiment des berühmten Physikers Maxwell nach 135 Jahren

Edinburgh (Großbritannien) - Maxwell hatte Recht: Auch ein "Dämon" in Molekülgröße verbraucht Energie. Den von dem schottischen Physiker ersonnenen, theoretischen Dämon konnten Edinburgher Forscher jetzt erstmals in Form einer Nanomaschine verwirklichen. Dabei bestätigten sie nicht nur Maxwells Gedanken -- ohne Energieverbrauch wäre das zweite Gesetz der Thermodynamik verletzt und die Grundlagen der Physik müssten umgeschrieben werden. Die Forscher legten auch die Basis für spätere Anwendungen: Da der "Dämon" seine Energie aus Licht zieht, könnte es eines fernen Tages möglich werden, feste Gegenstände per Laserstrahl aus der Entfernung zu bewegen. Sie berichten im Fachmagazin "Nature".

"Unsere Maschine enthält eine Vorrichtung - oder einen "Dämon" -, die Teilchen in Molekülgröße abfängt, die sich in eine bestimmte Richtung bewegen. Wie Maxwell vorhersagte, braucht das System Energie", erklärt David Leigh, Professor für Chemie an der Universität Edinburgh. James Clerk Maxwell hatte 1867 sein berühmtes Gedankenexperiment veröffentlicht, das Physiker nachfolgender Generationen immer wieder zu neuen Theorien und Erkenntnissen führte.

Dabei sind zwei mit Luft gefüllte Kammern durch eine kleine Öffnung miteinander verbunden. Je schneller die Gasmoleküle sich bewegen, desto wärmer ist die Luft. Nach den Gesetzen der Thermodynamik gleicht sich die Temperatur in beiden Kammern immer aus, weil schnelle und langsame Teilchen durch die Öffnung wandern und am Ende gleichmäßig verteilt, also ungeordnet sind. Das System ist im Gleichgewicht, die Natur strebt immer nach Unordnung. Maxwell setzte nun ein theoretisches Wesen, später Dämon genannt, an die Öffnung: Es lässt nur schnelle Moleküle in eine Richtung hindurch, so dass mit der Zeit ein Ungleichgewicht entsteht - die eine Kammer ist heißer als die andere. Theoretisch ließe sich damit dann eine Wärmekraftmaschine betreiben. Doch wenn der Dämon keine Energie verbraucht, so Maxwell, wäre ein Perpetuum Mobile erfunden und das zweite Gesetz der Thermodynamik verletzt.

Die Sorge war unnötig, wie die Forscher um Leigh jetzt zeigten: Sie konstruierten eine Nanomaschine aus einem Rotaxan-Molekül, einem Ring auf einer zentralen Achse, der nur durch ein Gatter am Drehen gehindert wird. Bestrahlt man das Rotaxan mit Licht, so absorbiert es Photonen und liefert Energie an das Gatter, das vorübergehend seine Form ändert, so dass der Ring hindurchpasst. Wie ein Sperrbügel oder eine Ratsche läuft der Ring nur in eine Richtung, die Rückrichtung ist blockiert. Dies ist die erste künstliche Umsetzung des Maxwellschen Dämons, einer Nanomaschine, die vorsätzlich Ordnung schafft, indem nur bestimmte Moleküle in einem System in eine Richtung transportiert. In der Natur sind solche Schleusen, die Energie aufnehmen und in Bewegung umsetzen, häufig umgesetzt, etwa in so genannten Motorproteinen der Körperzellen.