Gemotoriseerde moleculen

Groningse en Japanse chemici hebben een moleculaire motor gemaakt. Een straal ultraviolet licht brengt het molecuul aan het draaien.

Een draaihek, een schakelaar, een spoeltje, een tandwiel, stuk voor stuk zijn ze al wel eens op moleculaire schaal uitgevoerd. Maar een motor, een molecuul dat onder invloed van een of andere externe prikkel mechanische arbeid verricht, was tot nog toe wat te veel gevraagd. Deze week echter presenteren twee groepen tegelijkertijd een eerste prototype. De ene komt uit de koker van de Groningse hoogleraar Ben Feringa, die samen met Japanse collega's een molecuul synthetiseerde dat op licht loopt. De ander komt van een groep scheikundigen van Boston College in de VS. De chemici maakten een moleculaire motor waarbij de drijvende kracht gevormd wordt door een chemische reactie (Nature, 9 sept).

De laatste jaren is de ontwikkeling van nanomachines een belangrijk doel geworden van zowel scheikundig als natuurkundig onderzoek. Waar fysici en ingenieurs een `top-down' benadering volgen en proberen om bestaande structuren steeds kleiner te maken, doen chemici het `bottom up'. Ze manipuleren moleculen. Hierbij hebben ze een uitstekend voorbeeld aan de natuur, waar de moleculaire motor al miljoenen jaren geleden werd ontwikkeld. Zo berust de werking van spieren op een ingenieus roeimechanisme van twee eiwitten en wordt de vorming van ATP, de brandstof van al het leven op aarde, geregeld door een prachtig draaitolletje. Vergeleken met dit soort nanomechanische wondertjes zijn de nu gepresenteerde machines kinderspel. Toch zijn ze beide het resultaat van inventief chemisch synthesewerk, en zijn de principes waar ze op berusten ongetwijfeld relevant voor vruchtbaar verder onderzoek.

De motor die de groep van Richard Silva aan het Boston College ontwikkelde bestaat uit een soort driebladige rotor. Aan de as is een lange staart vastgemaakt, die tussen de bladen steekt en zo een vrije draaiing verhindert: het kost teveel energie om deze opzij te duwen. Door echter zowel op die staart als op een van de bladen groepen te plaatsen die niets liever willen dan met elkaar reageren, wordt de rotor gedwongen om een stukje te draaien. Dat is voor een van de rotorbladen voldoende om met behulp van een beetje warmte-energie langs de paal te glippen. Zodra de chemische binding wordt verbroken, kan de draaiing over 120° worden volbracht. Er wordt dus chemische energie gebruikt om een fysieke beweging op gang te brengen. Een zwak punt is dat het bij een gedeeltelijke draaiing blijft. Aangezien de reactieve groepen zijn verdwenen, is er geen stimulans om verder te gaan.

De Nederlands-Japanse motor werkt anders. Die kan onder de juiste omstandigheden talloze cycli doorlopen, en is om die reden eigenlijk veel mooier. Een overeenkomst is dat ook in dit geval gebruik wordt gemaakt van groepen die elkaar in de weg zitten.

Het belangrijkste element in de motor is een dubbele band tussen twee koolstofatomen. Aan weerszijden daarvan bevinden zich identieke ringstructuren, elk aan een kant van de dubbele binding. Dat verandert op het moment dat het molecuul bestraald wordt met ultraviolet licht. Als het molecuul zo'n energierijk foton absorbeert, wordt een van de ringen gedwongen om te klappen, hoewel daar aan de andere kant eigenlijk nauwelijks ruimte voor is. In de nieuwe situatie staat het molecuul dus onder spanning. Maar zolang de temperatuur hoog genoeg is, herschikken de groepen zich een beetje, waardoor de spanning in het molecuul wat afneemt. Hernieuwde absorptie van ultraviolet licht zorgt er echter voor dat een van de groepen terugklapt, waarna opnieuw met wat kleine ruimtelijke aanpassingen het oorspronkelijke molecuul weer wordt verkregen. Daarmee is in feite een volledige draaiing van 360° uitgevoerd en kan er weer van voren af aan worden begonnen. Met behulp van een speciale spectroscopische techniek kunnen de vier omzettingen worden gevolgd en zie je het molecuul als het ware draaien.

vervangers

In een commentaar wordt er terecht op gewezen dat er nog veel problemen moeten worden opgelost alvorens met deze machines nuttige arbeid kan worden verricht. Daarvoor moet immers de draaiing op een of andere manier worden overgebracht op de omgeving. Bovendien is de synthese van dit soort moleculen geen eenvoudige zaak. De Amerikaanse rotor is het resultaat van vier jaar onderzoek en aan de synthese en karakterisering van de Groningse verbinding is ook al meer dan twee jaar gewerkt! Zelfs wanneer er dus op papier mogelijke verbeteringen in de `constructie' worden aangebracht, kan de verwezenlijking daarvan nog wel even op zich laten wachten. Maar als er eenmaal een werkende versie is verkregen, vormt de assemblage geen enkel probleem meer. Bij een willekeurige chemische reactie worden immers zonder problemen enorme aantallen moleculen van het reactieproduct gevormd, in dit geval zo'n 10. De zo verkregen nanomachines kunnen dan misschien onschatbare diensten gaan bewijzen bij het opslaan van informatie, bij de fabricage van een heel nieuw soort elektronische schakelingen, of bij de synthese van katalysatoren die als vervangers kunnen dienen voor natuurlijke enzymen.