Vanzelfhaargel

Gel die zich spontaan vormt. Dat wisten Nijmeegse chemici te bereiken na bewerking van de donkergroene kleurstof phtalocyanine. Deze week publiceerden ze hun resultaten in Science.

VROEGER OMVATTE de scheikunde niets anders dan het synthetiseren van verbindingen. Via soms heel ingewikkelde routes en met behulp van slimme trucs werd het gewenste product verkregen uit eenvoudiger uitgangsstoffen. Tegenwoordig blijft het daar niet bij. Chemici proberen een verbinding zó in elkaar te zetten dat deze uit zichzelf met andere moleculen grotere eenheden vormt. In de natuur is deze zelf-assemblage gemeengoed. Het jasje van een virus ontstaat doordat een aantal manteleiwitten elkaar vinden en spontaan een soort capsule vormen. Of neem collageen, het eiwit dat in grote hoeveelheden voorkomt in onze huid. Het molecuul is geen simpele kralenketting van aminozuren, maar een linksdraaiende helix. Zijn eigenschappen ontleent het voornamelijk aan het feit dat het spontaan dunne vezels vormt waarin drie van deze helices in elkaar zijn gewikkeld. Chemici proberen deze spontane ordening in het laboratorium na te bootsen. En dat lukt steeds beter, zo bleek deze week weer. Drie verschillende onderzoeksgroepen publiceerden hun recente successen in Nature en Science (29 en 30 april 1999).

Wie grotere eenheden wil samenstellen, maakt liever geen gebruik van de traditionele chemische bindingen tussen atomen. Die zijn te definitief. Het is veel handiger wanneer moleculen een beetje tegen elkaar aan kunnen schurken om zo in een soort proces van vallen en opstaan de meest gunstige ligging ten opzichte van elkaar te kunnen vinden. Om ze in die toestand te kunnen houden, moet er wel van enige aantrekking sprake zijn. Zo wordt er veel gebruik gemaakt van waterstofbruggen, relatief zwakke verbindingen tussen een waterstofatoom in het ene molecuul en een zuurstof- of stikstofatoom in een ander molecuul. Het zijn dit soort bruggen die bijvoorbeeld de twee strengen van een DNA-molecuul bijeen houden.

Een andere interactie is die tussen een positief geladen metaal-ion dat, hongerig naar elektronen, moleculen aantrekt en die als zogenaamde liganden om zich heen verzamelt. Een groep Japanse chemici van het Institute for Molecular Science in Myodaiji kwam op het idee om metaalionen te gebruiken bij het in elkaar zetten van grotere eenheden. Amerikaanse chemici van de University of Utah bedachten, onafhankelijk van de Japanners, hetzelfde.

DRIEHOEK

De Japanners gingen uit van een soort benzeenverbinding, een plat organisch molecuul dat ruimtelijk gezien min of meer een driehoek vormt. Na toevoeging van metaalionen schaarden de driehoeken zich spontaan samen en vormden veelvlakken (tetrahedrons, hexahedrons en octahedrons) van een paar miljardste meter in doorsnee. De Amerikanen wisten op een vergelijkbare manier kubusachtige moleculen te maken. Omdat al deze zelf-geassembleerde moleculen van binnen hol zijn, kunnen er andere moleculen in worden opgesloten, zelfs moleculen die vrij in het oplosmiddel niet zouden overleven omdat ze te reactief zijn.

Een heel andere richting volgen Roeland Nolte en zijn medewerkers aan de Katholieke Universiteit van Nijmegen. Zij wilden proberen om gedraaide structuren te maken en werkten daarvoor al langer met de donkergroene kleurstof phtalocyanine. Dat is een plat, ringvormig molecuul dat zich makkelijk laat stapelen. ``Door moleculaire staarten aan phtalocyanine te zetten, kun je vloeibare kristallen maken'', zegt drs. Hans Engelkamp, eerste auteur van het artikel dat gisteren in Science verscheen. ``Wij hebben er eerst nog vier extra ringen van koolstof en zuurstof tussen gezet, zogenaamde kroonethers. Zo ontstond een plat moleculair schijfje met een diameter van zes nanometer. Na het afkoelen van een oplossing van deze verbinding in chloroform kon je de kolf op zijn kop houden. Er had zich een soort haargel gevormd.''

Verder speurwerk wees uit dat de moleculen niet recht boven elkaar waren gestapeld, maar dat elk steeds een beetje gedraaid was ten opzichte van degene die eronder lag, net als in een wenteltrap. Dat de trap linksom draaide was een direct gevolg van de acht moleculaire staarten die aan de buitenkant van de phtalocyanines waren vastgezet. Die legden als het ware de richting van de draaiing op. ``Door de oriëntatie van de staarten te veranderen, konden we de wenteltrap ook de andere kant op laten draaien'', zegt AIO Engelkamp. Maar dat verklaarde nog niet waarom een gel werd gevormd. De reden daarvoor werd pas duidelijk na analyse met de elektronenmicroscoop. De afzonderlijke wenteltrappen bleken elkaar te hebben opgezocht en vormden lange, in elkaar gedraaide vezeltjes van soms wel een micrometer (een duizendste millimeter) lang. Het aardige was dat met een simpele handeling de vorming van zo'n super-helixstructuur kon worden voorkomen, namelijk door kalium-ionen toe te voegen. Deze nestelen zich tussen de schijfjes en dwingen deze zich netjes recht boven elkaar te stapelen. ``Als jeu de boules ballen in een netje'', maakt Engelkamp duidelijk. Hoewel er ook in dit geval bundeltjes worden gevormd, zijn deze niet verstrengeld, maar bestaan ze geheel uit evenwijdig aan elkaar liggende vezeltjes.

interactie

De deze week gepubliceerde scheikundige hoogstandjes zullen op korte termijn niet tot toepassingen leiden. ``In de eerste vijfentwintig jaar zeker niet'', meent Engelkamp. Toch laten de experimenten goed zien dat chemici de moleculaire wereld steeds beter weten te beheersen. Dat moet op den duur wel zijn vruchten afwerpen. Met de superhelixen van Engelkamp zouden optische materialen kunnen worden ontwikkeld, waarin de interactie tussen moleculen en licht zorgt voor ongewone optische verschijnselen zoals bijvoorbeeld frequentieverdubbeling van rood naar blauw licht. De moleculaire containers kunnen op termijn wellicht goede diensten gaan bewijzen bij de synthese of de stabilisatie van bijvoorbeeld instabiele verbindingen.