Molekularer Propeller

Ein molekularer Propeller ist ein Molekül, das aufgrund seiner speziellen Form Flüssigkeiten vorwärtstreiben kann, wenn es rotiert, da es in Analogie zu makroskopischen Propellern konstruiert wurde.[1][2] Er besteht aus molekülgroßen, in einem bestimmten Winkel um einen Schaft angeordneten Flügeln, so dass sich eine Rotationsachse bildet. Der von Petr Král, University of Illinois at Chicago, entworfene Propeller besteht aus planaren aromatischen Molekülen als Flügeln, während ein Kohlenstoff-Nanorohr den Schaft bildet.[3] Moleküldynamische Simulationen, (siehe auch molecular Modelling), zeigen, dass diese Propeller als effiziente Pumpen dienen können, sowohl in der Tiefe, als auch an der Oberfläche der Flüssigkeit. Die Wirksamkeit des Pumpens hängt von den Wechselwirkungen zwischen Flügeln und der Flüssigkeit ab. Propeller, deren Flügel aufgrund ihrer geringen Polarität hydrophob sind, pumpen gut. Bei hydrophilen Flügeln bilden die Wassermoleküle Wasserstoffbrücken mit den Atomen der polaren Flügel. Diese können den Wasserfluss um die Flügel herum blockieren und den Pumpprozess verlangsamen.

Ein molekularer Propeller als Wasserpumpe

Funktion

Molekulare Propeller können durch molekulare Motoren entweder chemisch oder biologisch, mit Licht oder elektrisch angetrieben werden,[4][5][6] oder mit Ratschen-ähnlichen Mechanismen.[7] In der Natur sind molekulare Motoren realisiert, wie beispielsweise Myosin, Kinesin und ATP-Synthase[8]. Zum Beispiel können molekulare Rotationsmotoren, die sich an den protein-basierten Enden (Geißeln oder Flagella) der Bakterien befinden, diese vorwärtsbewegen.

Anwendung

In ähnlicher Weise k​ann die Gesamtstruktur a​us einem molekularen Propeller u​nd einem molekularen Motor e​ine molekulare Maschine bilden, d​ie Flüssigkeiten pumpen kann.[9] Weitere Anwendungen dieser Nanosysteme reichen v​on analytischen Hilfsmitteln für Chemie u​nd Physik, z. B. i​n der Arzneimittelsynthese u​nd Gentherapie, u​nd Nanotechniken (Labor a​uf einem Chip) b​is zu winzigen Nanorobotern, d​ie zur Durchführung verschiedener Aktivitäten i​m Nanobereich verwendet werden.

Einzelnachweise
  1. J. Vacek and J. Michl, A molecular "Tinkertoy" construction kit: Computer simulation of molecular propellers, New J. Chem. 21, 1259 1997.
  2. C. D. Simpson, G. Mattersteig, K. Martin, L. Gherghel, R. E. Bauer, H. J. Rader and K. Mullen, Nanosized molecular propellers by cyclodehydrogenation of polyphenylene dendrimers, J. Am. Chem. Soc. 126, 3139 2004. doi:10.1021/ja036732j
  3. B. Wang and P. Král, Chemically Tunable Nanoscale Propellers of Liquids, Phys. Rev. Let. 98, 266102 2007. doi:10.1103/PhysRevLett.98.266102
  4. T. R. Kelly, H. De Silva and R. A. Silva, Unidirectional rotary motion in a molecular system, Nature 401, 150 1999. Abstract
  5. N. Koumura, R. W. J. Zijlstra, R. A. van Delden, N. Harada and B. L. Feringa, Light-driven monodirectional molecular rotor, Nature 401, 152 1999. Abstract
  6. C. Bustamante, Y. R. Chemla, N. R. Forde and D. Izhaky, Mechanical processes in biology, Annual Review of Biochemistry, 73, 705 2004. doi:10.1146/annurev.biochem.72.121801.161542
  7. R. D. Astumian, Thermodynamics and kinetics of a Brownian motor, Science 276, 917 1997. Abstract
  8. S. P. Tsunoda, R. Aggeler, M. Yoshida, and R. A. Capaldi, Rotation of the c subunit oligomer in fully functional F1Fo ATP synthase, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 98, 898 2001. Abstract
  9. R. K. Soong, G. D. Bachand, H. P. Neves, A. G. Olkhovets, H. G. Craighead and C. D. Montemagno, Powering an inorganic nanodevice with a biomolecular motor, Science 290, 1555 2000. Abstract
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