Molecuul-autootje met vier 'wielen'

Technologie In Groningen hebben onderzoekers een molecuul gebouwd dat zich voortbeweegt als een auto met vierwielaandrijving.

Hij zegt dat het eigenlijk niet kan. En tóch vergelijkt Ben Feringa het molecuul waarover hij afgelopen donderdag publiceerde met een auto (Nature, 10 november). Een nano-autootje dat een miljard keer kleiner is dan een gewone auto. Een autootje waarvan de wielen op een heel andere manier draaien dan gewone wielen: de rotatie heeft iets weg van peddelen op het droge. Een autootje dat zich alleen kan voortbewegen bij zeven graden boven het absolute nulpunt, over een weggetje van koper, in hoog vacuüm en over een afstand van niet meer dan 6 miljardste van een meter.

En toch: op moleculaire schaal werken dingen heel anders dan in de gewone, macroscopische wereld om ons heen. Sommige moleculen plakken aan elkaar, andere veroorzaken een willekeurig en razendsnel heen en weer schietend bombardement: de Brownse beweging. Onder die omstandigheden is het laten rijden van een voertuigje dat aan een auto doet denken goed voor de cover van Nature.

In een bespreking van de studie van Feringa en zijn collega’s, óók donderdag verschenen in Nature, schrijft collega Paul Weiss van het Californa Nanosystems Institute dat de Groningers de functionele mogelijkheden van moleculaire motoren een belangrijke stap vooruit hebben gebracht. Het is voor het eerst dat wetenschappers erin zijn geslaagd om een geheel kunstmatig molecuul te construeren dat zich voortbeweegt in een vooraf bepaalde richting.

De constructie van – op de computeranimatie – grijze, rode en blauwe bolletjes heeft iets weg van een racewagen met omgeklapte wielen. Een bijgevoegde animatie toont hoe schokkerig een dergelijk voertuig zich voortbeweegt, de wielen van deze auto lijken zijn toch eerder draaibare blokken.

Vier motortjes aan één frame

“Hieraan hebben we gewerkt sinds ik in 2004 de Spinoza-premie heb ontvangen”, zegt Feringa, hoogleraar moleculaire nanotechnologie aan de Rijksuniversiteit Groningen. Feringa maakte in de afgelopen tien jaar tal van motortjes van moleculen, maar die stonden altijd vast op een oppervlak en zwaaiden hun moleculaire ‘armpjes’ rond in een vloeistof. In 2005 beschreef Feringa hoe hij moleculaire motors op een oppervlak als molentjes kon laten draaien als hij ze met licht bestraalde.

De molentjes hadden een koolstof-koolstofbinding als as. Door een lichtimpuls veranderde die van een een dubbele (niet draaibaar) binding naar een enkele (draaibaar). Daardoor draaide het molentje een slag bij iedere puls.

Een variant van de moleculen die in 2005 de motor en de rotorbladen vormden, is nu opnieuw gebruikt. Feringa: “Ik vond het een uitdaging om vier moleculaire motortjes samen te brengen in een enkel frame waarmee je het hele molecuul over een oppervlak kunt laten rijden.”

Volgens Feringa is zijn elektrische four wheel drive enigszins te vergelijken met het transport van motor-eiwitten in cellen. In dit proces wordt chemische energie gebruikt (opgeslagen in ATP) om eiwitten met minuscule voetjes langs filamenten te laten lopen. Feringa: “Net als voor het transport van die eiwitten in ons lichaam is voor de voortbeweging van deze auto een delicate balans van moleculaire wisselwerkingen nodig. Als de onderlinge krachten te zwak zijn dan vliegen de moleculen aan alle kanten uit de bocht. Maar de moleculen mogen ook weer niet te vast op het oppervlak vastzitten. Dan kan je weer niet bewegen.”

In plaats van chemische reacties of licht gebruikt Feringa dit keer elektrische stroom uit een Scanning Tunneling Microscope (STM) als energiebron voor de rotatie rond de koolstofbindingen. Zo’n microscoop heeft een heel scherpe elektrisch geleidende naald waarmee je een oppervlak op atomaire schaal in beeld kunt brengen, atomen kunt verslepen en – in dit geval – minuscule stroompulsjes kunt uitdelen.

“De dubbele koolstofbindingen zijn de rotatie-assen waarmee de moleculaire wielen aan de auto vast zitten”, zegt Feringa. “Normaal gesproken kan een molecuul rond een dubbele koolstofbinding niet roteren. Dat lukt wel als je er energie in stopt in de vorm van elektronen die via de tip van een STM worden aangevoerd. Je slaat de dubbele band aan en dat zorgt ervoor dat een elektron in een hogere energietoestand terecht komt. Je verbreekt als het ware heel even de dubbele band. Dan heb je een enkele band waar je omheen kunt roteren, net als rond de as van een auto.” Het molecuul werkt als een palrad, waarbij een uitsteeksel dient als pal. Daardoor kan het molecuul uitsluitend linksom draaien of (de spiegelvorm van hetzelfde molecuul) uitsluitend rechtsom.

Robotjes in het lichaam

Feringa en zijn collega’s gebruikten de STM ook om vast te stellen dat het nano-autootje werkelijk vooruit gereden heeft. “Onze moleculen zijn in Groningen ontworpen”, zegt Feringa. “Voor het in beeld brengen hebben we samengewerkt met materiaalkundigen van het Zwitserse instituut Empa in Dübendorf.”

De moleculaire vierwielaangedreven constructie die de Groningers hebben gemaakt is volgens Feringa vooral van belang om moleculaire motoren beter te leren begrijpen. “Realiseer je wel dat op eiwitten gebaseerde nano-motoren betrokken zijn bij alle essentiële processen in ons lichaam”, zegt hij. “Door het ontwerp van synthetische motoren, geïnspireerd op deze biologische systemen leggen wij de principes bloot die erachter schuil gaan.”

Eens zouden de synthetische machines zoals die gemaakt zijn door Feringa en zijn collega’s een rol kunnen gaan vervullen in het menselijk lichaam: “Als je robotjes en sensoren wilt gebruiken die op nanoschaal in het lichaam kunnen functioneren, dan moet je nog veel meer begrijpen over de manier waarop dergelijke systemen moeten worden aangedreven”, zegt hij. “Wat we uiteindelijk met dergelijke motoren gaan doen valt moeilijk te overzien. Dat konden de gebroeders Wright aan het begin van de twintigste eeuw voor het vliegtuig ook niet voorspellen.”

    • Michiel van Nieuwstadt