Ein Molekül, kleiner als alles, was man mit bloßem Auge erahnen könnte, beginnt sich zu drehen: An der Universität Augsburg haben Forschende gemeinsam mit internationalen Partnern erstmals eine molekulare Maschine nach dem Prinzip der archimedischen Schraube entwickelt. Ein schraubenförmiges Molekül wird durch elektrischen Strom in Rotation versetzt. Und dann passiert etwas, das selbst für die Nanowelt ziemlich überraschend ist: Ab einer bestimmten Geschwindigkeit steigt der Stromfluss sprunghaft auf bis zum Hundertfachen.

Beteiligt waren unter anderem das Team von Fabian Pauly an der Universität Augsburg, die Gruppe von Michael Pittelkow an der Universität Kopenhagen sowie Forschende des Weizmann Institute of Science in Israel. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Heute, am 27.10.2026, ist die Arbeit an der Uni Augsburg ein gutes Beispiel dafür, wie eng Experiment und Theorie in der modernen Nanoforschung zusammenspielen.

Eine Schraube, zwei Goldspitzen und jede Menge Strom

Das zentrale Bauteil ist ein speziell hergestelltes schraubenförmiges Helicen-Molekül. Es ist wenige millionstel Millimeter groß und lässt sich über Schwefelatome an Goldoberflächen binden. Die israelischen Forschenden befestigten einzelne Moleküle zwischen zwei atomar feinen Goldspitzen. Wurde der Abstand der Elektroden verändert, ließ sich das Molekül strecken oder stauchen.

Die Messungen zeigten: Unter Spannung dreht sich das Molekül. Die Drehrichtung war eindeutig und ließ sich durch Umpolung der Spannung umkehren. Damit wurde erstmals ein stromgetriebener molekularer Motor mit steuerbarer Drehrichtung demonstriert, der fest mit zwei Metallelektroden verbunden ist.

Das Vorbild kommt aus der klassischen Mechanik. Die archimedische Schraube transportiert Wasser bergauf; auf molekularer Ebene übernehmen Elektronen diese Rolle. Ihr Fluss durch die schraubenförmige Struktur versetzt das Molekül in Drehung. Die Elektronen übertragen dabei Drehimpuls – vergleichbar mit Wind, der ein Windrad antreibt. Die Windungsrichtung bestimmt, wohin sich das Molekül dreht. Ab einer bestimmten Spannung geht die Bewegung in eine kontinuierliche Rotation über.

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Strombetriebene molekulare Motoren sind zwar seit 2011 bekannt. Bisher funktionierten sie jedoch nur auf Oberflächen und wurden durch die Spitze eines Rastertunnelmikroskops bewegt. Das neue System sitzt dagegen zwischen zwei Metallelektroden. Die Maschine wird also nicht bloß von außen angestoßen, sondern durch den Stromfluss selbst betrieben.

Wenn Drehen den Strom anschiebt

Warum der Strom plötzlich so stark zunimmt, untersuchten Fabian Pauly sowie die Doktoranden Léon Martin und Yuta Ito mit quantenmechanischen Computersimulationen. Gerechnet wurde auf dem Hochleistungsrechner LiCCA der Universität Augsburg. Die Simulationen zeigten, dass Rotation und Leitfähigkeit eng miteinander verbunden sind.

Die Leitfähigkeit hängt stark vom Drehwinkel ab und kann während der Rotation um bis zu zwei Größenordnungen steigen – also ungefähr auf das Hundertfache. Positionen, die das ruhende Molekül vermeidet, leiten den Strom besonders gut. Durch die Drehung werden diese Positionen zugänglich. Das Molekül bewegt sich somit nicht einfach nur, während Strom durch es hindurchfließt: Seine Bewegung verändert zugleich den Stromfluss.

Per Hedegård vom Niels-Bohr-Institut und Jing-Tao Lü von der Huazhong University of Science and Technology entwickelten zusätzlich ein vereinfachtes Modell. Es reproduzierte sowohl die experimentell beobachtete Rotation als auch den Stromanstieg. Erst die Kombination aus Messungen und theoretischen Berechnungen mehrerer internationaler Forschungsteams machte den Effekt verständlich.

Molekulare Maschinen sind aus Makromolekülen aufgebaute supramolekulare Systeme, die mechanische Bewegungen und bestimmte Funktionen ausführen können. Sie gehören zur Nanotechnologie, orientieren sich teils an biologischen Systemen aus Tier- und Pflanzenzellen und übertragen teils Prinzipien der klassischen Mechanik auf molekulare Größenordnungen. Der neue Motor verbindet beides: eine archimedische Schraube aus der sichtbaren Welt und zufällige, quantenmechanisch geprägte Vorgänge im winzigen Maßstab.

Wie jede klassische Maschine braucht auch eine molekulare Maschine Energie von außen. Ein Perpetuum mobile ist nach den physikalischen Grundgesetzen unmöglich. Für nützliche Arbeit muss zuvor ein Gradient erzeugt werden, etwa ein Konzentrationsgefälle, eine Temperaturdifferenz oder eine elektrische Potentialdifferenz. Molekulare Systeme können chemische oder mechanische Prozesse aus dem Gleichgewicht bringen, während Stoffe grundsätzlich entlang von Konzentrationsgefällen wandern und Moleküle unterschiedlicher Temperatur sich bis zum Temperaturausgleich vermischen.

Vom Nobelpreis zur molekularen Werkzeugkiste

Für das Design und die Synthese molekularer Maschinen erhielten Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart und Bernard L. Feringa 2016 den Nobelpreis für Chemie. Die heutigen Systeme knüpfen an diese Entwicklung an. Synthetisch werden vor allem zwei Haupttypen unterschieden: molekulare Schalter beziehungsweise Pendel und molekulare Motoren. Ein Schalter beeinflusst ein System abhängig von seinem Zustand, ein Motor abhängig von seiner Bewegung.

Schalter werden durch eine Translationsbewegung betätigt; die Rückkehr in die Ausgangsposition ist eine mechanische Bewegung und kann Energie freisetzen. Wiederholt kann ein Schalter ein chemisches System durch Energiezufuhr allerdings nicht aus dem Gleichgewicht bringen – Motoren schon. Aus einem einzigen Molekül bestehen solche Maschinen nicht immer. Viele sind mechanische molekulare Architekturen wie Rotaxane und Catenane; auch Kohlenstoff-Nanomotoren wurden hergestellt.

Die Antriebe sind vielfältig: Licht und chemische Reaktionen kommen ebenso infrage wie elektrischer Strom. Ein molekularer Bohrer kann durch UV-Licht Zellwände perforieren, sodass kleine Moleküle, insbesondere Wasser, austreten; das UV-Licht kann dabei gezielt auf gewünschtes Gewebe gerichtet werden. Ein molekularer Propeller treibt aufgrund seiner Form Flüssigkeiten durch Drehung an. Dafür besitzt er mehrere schräg gestellte Flügel, die um eine nanoskalige Achse angeordnet sind.

Ein molekularer Schalter kann reversibel zwischen mindestens zwei stabilen Zuständen wechseln. Auslöser sind etwa Veränderungen von pH-Wert, Licht, Temperatur, elektrischem Strom, Mikroumgebung oder die Anwesenheit eines Liganden. Ein molekulares Pendel oder Shuttle transportiert Moleküle beziehungsweise Ionen zwischen verschiedenen Orten. Typischerweise besteht es aus einem Rotaxan, dessen Makrozyklus sich zwischen zwei Stationen auf einer hantelförmigen Achse bewegt.

Molekulare Pinzetten umschließen und binden Gastmoleküle oder andere Objekte – nichtkovalent, etwa über Wasserstoffbrücken, Metallkoordination, hydrophobe Kräfte, Van-der-Waals-Kräfte, π-π-Wechselwirkungen oder elektrostatische Effekte. Es gibt sogar aus DNA aufgebaute molekulare Pinzetten, die als DNA-Maschinen bezeichnet werden. Molekulare Sensoren weisen Konzentrationsänderungen bestimmter Substanzen nach und verbinden molekulare Erkennung mit der Aufzeichnung oder Weiterleitung eines Signals. Molekulare Logikgatter führen logische Operationen aus und erzeugen aus einem oder mehreren Eingabesignalen eine Ausgabe; anders als Sensoren melden sie sich nur bei bestimmten Kombinationen von Eingaben.

Biologische Vorbilder – und ein ziemlich langer Weg

Die komplexesten molekularen Maschinen kommen in biologischen Zellen vor und bestehen überwiegend aus Proteinen. Myosin ermöglicht die Muskelkontraktion, Kinesin transportiert Organellen entlang von Mikrotubuli vom Zellkern weg, Dynein bewegt Geißeln, und membranständige ATPasen wie die ATP-Synthase übernehmen zentrale Energieaufgaben. Ihre Dynamik auf der Nanometerskala ist komplexer als jene der bisher konstruierten synthetischen Maschinen.

Zu den wahrscheinlich bedeutendsten biologischen molekularen Maschinen zählen Ribosomen. Auch Mikrotubuli sind Nanomaschinen; sie bestehen aus Molekülkomplexen mit mehr als 600 Proteinen. Kein Wunder also, dass Forschende gern in Zellen abschauen – auch wenn die künstliche Version bislang eher nach Bastelstunde als nach fertigem Zellmotor klingt.

Mit dem EU-Forschungsprojekt MolMacIP geht die Entwicklung in eine ähnliche, aber stärker biologische Richtung. Das Projekt entwickelt synthetische, chemisch angetriebene Molekularroboter nach biologischen Vorbildern. Ausgangspunkt ist die Erkenntnis, dass Materie auf molekularer Ebene anders funktioniert als in der Makrowelt: Gegenstände bewegen sich normalerweise durch äußere