Molekularen Motor durchschaut
Rotation eines molekularen Motors mithilfe ultraschneller Spektroskopie und quantenmechanischer Berechnung analysiert
Der Chemiker Dr. Henry Dube entwickelt winzigste Maschinen auf molekularer Ebene, die sich mit Licht steuern lassen. Als Grundgerüst dafür verwendet seine Emmy Noether-Nachwuchsgruppe das Molekül Hemithioindigo. Innerhalb des SFB 749 ist es ihm nun in Zusammenarbeit mit Eberhard Riedle, Professor für Experimentalphysik am Lehrstuhl für BioMolekulare Optik, und Regina de Vivie-Riedle, Professorin für Theoretische Chemie an der LMU, gelungen, erstmals den Mechanismus der lichtgetriebenen Rotation vollständig aufzuklären.
Hemithioindigo hat eine Kohlenstoff-Doppelbindung. Bei Lichtzufuhr verändert das Molekül seine Struktur und rotiert um seine Doppelbindung. Wie Dube in früheren Arbeiten bereits zeigen konnte, lässt sich auf Basis von Hemithioindigo ein komplexer Motor bauen und besonders gut kontrollieren. Zudem ist dafür weniger energiereiches Licht nötig als bei den meisten anderen molekularen Motoren, was seine Anwendungsmöglichkeiten erhöht und ihn besonders für biologische und medizinische Zwecke interessant macht.
In der Kooperation konnte der komplexe Mechanismus der Rotation mithilfe einer ultraschnellen Bewegungsanalyse durch Kurzzeitspektroskopie sowie durch quantenmechanische Berechnungen der möglichen Reaktionspfade entschlüsselt werden. So lässt sich unter anderem zeigen, dass die Rotation auch bei Raumtemperatur unidirektional verläuft, und wie sich die Geschwindigkeit der Drehung besonders effektiv beeinflussen lässt. Die Geschwindigkeit und Wahrscheinlichkeit der vier Teilschritte, die die vollständige Drehung ergeben, wurde damit erstmals aufgeklärt. Die für die Rotation relevanten Zeitskalen reichen von Pikosekunden (10-12s) bis zu Millisekunden (10-3s) und wurden somit über mehr als neun Größenordnungen in der Zeit spektroskopisch verfolgt. „Unsere Arbeit gibt einen bislang nicht dagewesenen Einblick, wie molekulare Motoren funktionieren. Dank der Analyse verfügen wir jetzt über ein vollständiges Bild der Drehbewegung und können darauf aufbauend neue Ansätze entwickeln, um Motoren zu designen, die noch leistungsfähiger sind“, sagt Henry Dube.
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