Molekulare Ratsche
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Eine molekulare Ratsche oder auch Brownsche Ratsche ist eine Nanomaschine, die aus Brownscher Molekularbewegung (also aus Wärme) gerichtete Bewegung erzeugt. Dies kann nur funktionieren, wenn von außen Energie in das System gebracht wird. Solche Systeme werden in der Literatur meistens Brownsche Motoren genannt (siehe dort). Eine molekulare Ratsche ohne von außen zugeführter Energie wäre ein Perpetuum Mobile zweiter Art und funktioniert somit nicht. Der Physiker Richard Feynman zeigte in einem Gedankenexperiment 1962 als erster, wie eine molekulare Ratsche prinzipiell aussehen könnte und erklärte eindrucksvoll, warum sie nicht funktioniert.
[Bearbeiten] Molekulare Ratsche nach Feynman
Die Abbildung rechts zeigt den prinzipiellen Aufbau einer molekularen Ratsche. Sie besteht aus einem Flügelrad (rechts) und einer Ratsche (links) mit Sperrzahn (grau). Die gesamte Maschine muss sehr klein sein (wenige Mikrometer), damit die Stöße des umgebenden Gases einen nennenswerten Einfluss auf sie haben. Die Funktionsweise ist denkbar einfach: Ein Gasteilchen, das das Flügelrad beispielsweise so trifft, wie durch den roten Pfeil markiert, bewirkt ein Drehmoment, das sich über die Achse auf die Ratsche überträgt und diese eine Stellung weiter drehen kann. Ein Teilchen, das trifft wie durch den grünen Pfeil markiert, bewirk keine Drehung, da der Sperrzahn die Ratsche blockiert. Die molekulare Ratsche sollte also aus Wärmeenergie eine gerichtete Bewegung erzeugen.
Der Sperrzahn funktioniert nur, wenn er mit einer Feder gegen die Ratsche gedrückt wird. Auch er unterliegt dem Bombardement der Brownschen Molekularbewegung. Wird er durch diese ausgelenkt, beginnt er auf die Ratsche zu schlagen, was zu einem Nettodrehmoment entgegen der zuvor angenommen Drehrichtung führt. Die Wahrscheinlichkeit für die Auslenkung des Sperrzahns, die groß genug ist, um eine Ratschenposition zu überspringen, ist exp(ΔE / kBT) wobei ΔE die Energie ist, die benötigt wird um die Feder des Sperrzahn auszulenken, T ist die Temperatur und kB die Boltzmannkonstante. Die Drehung über das Flügelrad muss aber auch die Feder spannen, um in die nächste Position der Ratsche zu gelangen, d.h. die Wahrscheinlichkeit ist ebenfalls exp(ΔE / kBT). Folglich dreht sich die Ratsche im Mittel nicht.
Anders sieht es aus, wenn ein Temperaturunterschied zwischen Flügelscheibe und Ratsche vorliegt. Ist das Flügelrad wärmer als die Ratsche dreht sich die molekulare Ratsche wie zuvor angenommen. Ist die Ratsche wärmer, dreht sich die Maschine in die entgegengesetzte Richtung.
[Bearbeiten] Brownsche Motoren
Ähnlich funktionieren viele molekulare Motoren: Diese drehen sich auch nur statistisch bevorzugt in einer Richtung, verrichten somit Arbeit. Sie verletzen aber auch nicht den Zweiten Hauptsatz, da zur "Festlegung der Richtung" ATP und somit Energie verbraucht wird. Beispiele: Die Flagellen von E.Coli, Kinesine.
