Erkenntnisprozesse kann man auf viele Arten ankurbeln – mehr Geld, neue Institute, Forschungspreise. Doch die spannendste Art ist ein Wettbewerb. Der legendäre Wettlauf zum Südpol, der nebenbei der Erforschung der Antarktis diente; oder die berühmten Wettbewerbe der französischen Akademie der Wissenschaften im 18. Jahrhundert, etwa zur Frage "Wie ermittelt man auf dem Meer die Uhrzeit?" – heroische Momente der Forschung, die bis heute im Gedächtnis blieben.

An diese Tradition wollen nun die Nanoforscher anknüpfen, die das kleinste Autorennen der Welt austragen. Sechs molekülgroße Fahrzeuge sollen dabei gegeneinander antreten und um den Sieg auf einer einen Zehntausendstelmillimeter (100 Nanometer) langen Rennstrecke konkurrieren – kleiner geht es nicht. Die Gefährte beim NanoCar Race, aus einzelnen Atomen zusammengebaut, sind überhaupt nur unter hochauflösenden Mikroskopen zu erkennen. Dennoch soll es ein echtes Rennen werden mit Motoren, Kraftstoff, Piloten, Sponsoren und einem Sieger. Zuschauer müssen allerdings, anders als bei der Formel 1, immense Geduld mitbringen: Das Rennen im atomaren Maßstab dauert um die 38 Stunden. Einen Geschwindigkeitsrausch muss niemand befürchten.

Ausgedacht hat sich die Sache der Physiker Christian Joachim vom Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (Cemes) in Toulouse, das sich mit der Struktur der Materie auf atomarer Ebene beschäftigt. Joachim bastelt schon seit Jahren an molekularen Rädern und Achsen herum, die er vor einigen Jahren zu einem NanoMobil zusammenfügte. Nun hat er andere Forscher eingeladen, sich mit ihm im freundschaftlichen Wettbewerb auf der Nano-Rennstrecke zu messen. Insgesamt fünf weitere Teams haben die Herausforderung angenommen, darunter eine amerikanisch-österreichische Kollaboration mit ihrem "Nanocar" oder die Ohio University mit dem "Ohio Bobcat". Während diese Gefährte zumindest entfernt an Autos mit Rädern und Chassis erinnern, gleichen die Vehikel der anderen Wettbewerber – die "Nano-Windmühle" der TU Dresden, der "Swiss-nano Dragster" der Universität Basel und das "Nano-Vehicle" vom japanischen Institut für Materialwissenschaft in Tsukuba – eher merkwürdig geformten Raupen oder kugeligem Babyspielzeug. Wie tauglich sie für das Rennen sind, werden die Teams jetzt im Juli erproben, wenn sie in Toulouse zu ersten Trainingsläufen starten. Das echte Rennen ist dann für den 14. und 15. Oktober geplant.

Allerdings muss man sich das Nanorennen in vielerlei Hinsicht anders als ein normales Autorennen vorstellen. Denn im atomaren Maßstab gelten die Gesetze der Quantenphysik, die bizarre Konsequenzen haben: Feste Teilchen werden zu fließenden Wellen, klare Ortsangaben verschwimmen zu Wahrscheinlichkeitszuständen, und der energetische Zustand eines Moleküls kann sich allein durch die Tatsache verändern, dass es beobachtet wird.

Das wichtigste Beobachtungswerkzeug der Cemes-Forscher ist dabei das Rastertunnelmikroskop, das nicht mit Licht und gläsernen Linsen arbeitet (wie ein gewöhnliches Lichtmikroskop), sondern den sogenannten Tunneleffekt nutzt. Dieser beschreibt die Tatsache, dass atomare Objekte selbst vor scheinbar unüberwindlichen Hindernissen nicht haltmachen: Mit einer gewissen (wenn auch geringen) Wahrscheinlichkeit können sie energetische Hürden hinter sich lassen, indem sie darunter hindurchtunneln. Genau das nützt das Rastertunnelmikroskop aus: Dabei fährt eine elektrisch leitende Sonde über das Untersuchungsobjekt, sodass zwischen den beiden eine elektrische Spannung entsteht, also ein energetisches Hindernis. Dieses Hindernis ruft automatisch den Tunneleffekt hervor, und es beginnt ein winziger Tunnelstrom zu fließen, dessen Größe sehr empfindlich vom Abstand zwischen Sonde und Objekt abhängt. Auf diese Weise kann man die Oberflächenstrukturen von Molekülen gleichsam abtasten.

Dieser Artikel stammt aus der ZEIT Nr. 29 vom 7.7.2016.

Der Clou ist nun, dass die Prozedur auf das Untersuchungsobjekt zurückwirkt: Wenn die Tunnelelektronen fließen, ändert sich der energetische Zustand des untersuchten Moleküls, im besten Fall kann es dabei so angeregt werden, dass es sich zu drehen beginnt – und genau diesen Effekt wollen die Forscher zur Fortbewegung ausnutzen. Der "Motor" ihrer Molekülautos zwackt gewissermaßen einen Teil der Spannung des Rastertunnelmikroskops ab, um sie in atomare Bewegung zu übersetzen.

Den Cemes-Forschern in Toulouse kommt dabei zugute, dass sie über ein ganz besonderes Rastertunnelmikroskop verfügen, das nicht nur eine, sondern gleich vier Sonden besitzt. Dadurch können sie gleichzeitig vier verschiedene Objekte beobachten – oder eben auch vier verschiedene Molekülautos fahren lassen. Als Rennstrecke wird dabei eine Goldoberfläche dienen, die circa 100 Nanometer lang ist, inklusive zweier Kurven.