Pulsierende Nanospiralen

Seoul (Korea) – Fast alle Substanzen dehnen sich bei Wärme aus und schrumpfen bei Kälte. Genau umgekehrt verhält sich ein spezielles Nanoröhrchen aus symmetrisch angeordneten organischen Molekülen. Wechselnde Temperaturen lassen die winzigen Röhren sogar pulsieren, sodass sie über diese Bewegung als Pumpe für einzelne Moleküle dienen können. In der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Science“ erklären die Entwickler den Bewegungsmechanismus.

Darstellung der Nanosprialen in ausgedehntem und geschrumpftem Zustand.
Nanospirale

Zhegang Huang von der Seoul National University und seine Kollegen mischten langkettige aromatische Makromoleküle in eine wässrige Lösung. Diese Moleküle rollten sich daraufhin selbstständig wie eine Spirale zu einem kleinen Nanoröhrchen mit einem Außendurchmesser von elf Nanometer auf. An den Innenwänden der Molekülketten, die in regelmäßigen Abständen aus sogenannten Pyridin-Gruppen bestanden, lagerten sich bei Raumtemperatur schwach gebundene Wassermoleküle an und stabilisierten die Struktur der Röhrchen.

Aufgeheizt auf etwa sechzig Grad Celsius änderte sich die Form der Nanoröhrchen jedoch abrupt. Die schwach gebundenen Wassermoleküle lösten sich ab und ließen die spiralförmige Struktur enger zusammenrücken. Nach dieser Neuanordnung betrug der Außendurchmesser nur noch etwa sieben Nanometer. Wieder abgekühlt, konnten abermals Wassermoleküle andocken und das Röhrchen schwoll auf seine ursprünglichen Maße an.

Computersimulation NanoröhrchenComputersimulation der Nanoröhrchen
Video: Das Nanoröhrchen wächst und schrumpft unter Temperatureinwirkung.

In weiteren Versuchen gaben Huang und Kollegen Kohlenstoffmoleküle aus je sechzig Atomen zu der wässrigen Lösung hinzu. Diese C-60-Fullerene drangen bei Raumtemperatur in die Nanoröhrchen ein. Beim Aufheizen jedoch wurden sie durch das Schrumpfen des Röhrchens quasi herausgepresst. Dieser Mechanismus könnte nach Aussage der Forscher für eine temperaturgesteuerte Nanopumpe für einzelne Moleküle genutzt werden. Mögliche Anwendungsfelder wären Lab-on-Chip-Systeme, in denen mit winzigen Substanzmengen beispielsweise biochemische Reaktionen kontrolliert durchgeführt werden können.