Empa-Forscher bauen kleinsten Motor der Welt

Das Besondere des Motors nach Ansicht de Wissenschaftler: «Er bewegt sich exakt an der Grenze zwischen klassischer Bewegung und Quantentunneln.»

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 Motoren fliesst, wieder gerichtete Drehungen herbeiführen. Die Energie eines einzelnen Elektrons reicht dabei aus, um den Rotoren gerade um eine Sechstelumdrehung weiterlaufen zu lassen.

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. 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.

*Fachartikelnmmer DOI: 10.1073/pnas.1918654117