Mechanisierte Moleküle unter Belastung
Maschinenteile wie Zahnräder, Schwungräder oder Kolben bewegen sich erst dann, sobald eine äußere Kraft auf sie angewendet wird. Moleküle dagegen befinden sich ununterbrochen in Bewegung. Die MECHMOL-Projektpartner fanden einen Weg, die zufälligen Bewegungen in der Welt der Moleküle so zu beeinflussen, um eine gerichtete Kraft zu erzeugen und makroskopische Aufgaben auszuführen. Hierbei wurde eine sehr hohe Effizienz erreicht, sodass mit dem entwickelten synthetischen molekularen System Objekte transportiert werden konnten, die um ein vielfaches massenreicher waren als das System selbst. In der relativen Bewegung der einzelnen Moleküle von Rotaxanen und Catenanen gegeneinander lag der Schlüssel zur Durchführung einer genau definierten Aufgabe und einer messbaren Arbeit mit diesem molekularen Shuttle. Rotaxane und Catenane gehören zu einer neuen Klasse von Molekülen, welche wiederum aus kleineren Molekülen bestehen, die nicht durch chemische Bindungen aneinander gebunden sind und sich daher unabhängig bewegen können. Genauer gesagt bestehen Catenane aus ineinandergreifenden Makroringen. Bei den Rotaxanen befindet sich der Makroring auf einer stabförmigen Achse und wird von zwei Stoppern an den Enden dieser Achse vor dem Heruntergleiten gehindert. Der Makroring der Rotaxane verfügt über Pyridingruppen, durch die es möglich ist, den molekularen Shuttle auf einer selbstorganisierenden Monoschicht mit hoher Ordnung aus 11-Mercaptoundecansäure, die auf einem Goldsubstrat abgeschieden wurde, aufzusetzen. Die hieraus resultierenden geordneten Mono- und Multischichten wurden mithilfe der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und der Rastertunnelmikroskopie charakterisiert. Beide Untersuchungsmethoden bestätigten die vollständige und einheitliche Bedeckung der selbstorganisierenden Monoschicht durch dünne Schichten molekularer Muskeln aus Rotaxanen mit parallelem Verlauf ihrer stabförmigen Achse zum Goldsubstrat. Der Beweis, dass die Makroringe der Rotaxane die Position tauschten, konnte durch den Transport kleiner Tröpfchen über die lichtempfindliche molekulare Oberfläche hinweg erbracht werden, der stattfand, sobald die Oberfläche ultraviolettem Licht ausgesetzt wurde. Dieses Licht wird als Antrieb der chemischen Reaktionen betrachtet, durch die Änderungen in der Position einzelner Moleküle hervorgerufen wurden. Durch ihre gemeinsame Bewegung konnte schließlich der Transport eines kleinen Tröpfchens über eine Strecke hinweg erreicht werden, die eine Million Mal größer war als die ursprüngliche Änderung in der Konformation der Rotaxane. Hierdurch wirkte die lichtempfindliche Oberfläche der schaltbaren Rotaxane als molekularer Shuttle, der bei der Bereitstellung von Analyten in einem Westentaschenlabor (Chip-Labor) und anderen Anwendungen eingesetzt werden kann.
