Alles was ein Baum zum Leben braucht ist Licht, Luft und Wasser. Durch die Photosynthese gewinnt er Energie aus Sonnenlicht. Mittels molekularer Prozesse verwandelt er Kohlenstoffdioxid in Sauerstoff und Kohlenwasserstoffverbindungen, bildet Wurzeln, Stamm und Äste, produziert Blätter und trägt Früchte.
Neben der elektromagnetischen Lichtenergie können Zellen Energie auch aus der chemischen Bindungsenergie gewinnen, indem sie diese in kinetische Energie unwandeln, um damit molekulare Motoren anzutreiben. Dies geschieht in der Natur sogar ohne eine zwischenzeitliche Umwandlung in elektrische Energie, wie es für ein technisches Gerät nötig ist.
Propellerantrieb der Bakterien
Die Natur kennt molekulare Motoren, Pumpen und Propellerantriebe. Letztere nutzen Bakterien, um sich im Wasser fortzubewegen. Mittels ihrer korkenzieherähnlichen Geißeln (Flagellen), die sie mal links- und mal rechtsherum bewegen, ergibt sich ein Zickzackkurs. Dies ist eine gerichtete Zufallsbewegung, denn die Bakterien haben sehr wohl eine bevorzugte Richtung bei ihrer Fortbewegung. Nämlich hin zu Nährstoffen oder weg von Giftstoffen. Und diese Richtung schlagen sie – statistisch gesehen – dann auch ein.
Eine Bakteriengeißel ist über mehrere ring- und plattenförmige Strukturen in die Zellmembran eingebaut und sitzt auf einer Art Kugellager. Ringsherum befinden sich Protonenkanäle, die wie ein Elektromotor wirken, wenn sich die positiv geladenen Teilchen durch die Porenöffnung in die Zelle hinein bewegen. Hierdurch wird eine elektrische Abstoßung erzeugt, die die Geißel wie einen Propeller mit bis zu 250 Umdrehungen pro Sekunde in Drehung versetzt. Diese Bewegung unterscheidet sich grundsätzlich von der Bewegung der Muskeln.
Der kleinste Elektromotor der Welt
Im Fachmagazin „Nature Natotechnology“ berichten Forscher über die Erfindung des kleinsten Elektromotors der Welt. Der Mini-Antrieb besteht nur aus einem einzigen Molekül mit einem Durchmesser von nur einem Nanometer. Zum ersten Mal gelang die Herstellung eines molekularen Motors, der mit elektrischem Strom angetrieben wird. Bislang trieb man molekulare Motoren mit Licht oder mittels chemischer Reaktionen an. Einziger Nachteil des elektrisch angetriebenen Nano-Motors: er funktioniert bislang nur bei extrem niedrigen Temperaturen von etwa minus 260 Grad Celsius. Der Nanomotor besteht aus einem asymmetrischen Molekül, das drehbar auf einer Kupferoberfläche aufliegt. Mit Elektronen, die von einem Rastertunnelmikroskop abgegeben werden, kann die Drehgeschwindigkeit und die Drehrichtung des Moleküls gezielt gesteuert werden. Aus einer Kopplung von molekularer Bewegung mit elektrischen Signalen könnte man in Zukunft Miniaturgetriebe in Nanoschaltkreisen konstruieren. Solche Nanozahnräder könnten dann beispielsweise in Handys oder Rotationspumpen in medizinischen Bauteilen verwendet werden.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten für Nanobots
Nanobots oder Nanorobotern sind autonome Maschinen (Roboter) mit Abmessungen von nur wenigen Nanometern. Weltweit arbeiten Forscher an der Herstellung von Nanobots, die beispielsweise in Körperzellen oder Blutgefäße eindringen und dort gezielt Medikamente oder Substrate abgeben.
Quellen:
- Spiegel: Mini-Motor besteht aus nur einem Molekül, 5.9.2011
- Spektrum der Wissenschaft: Der kleinste Elektromotor der Welt, 16.12.2011