Groningse nanosleutelaars perfectioneren nanomotor

In de toptien van baanbrekend onderzoek uit 2011 die de Chinese Academie van Wetenschappen samenstelde, werd één Nederlands onderzoek genoemd. Dat van de Groningse scheikundehoogleraar Ben Feringa. Hij is al sinds 1999 leidend in het onderzoek naar nanomotortjes – minuscule motoren die hij in elkaar sleutelt met koolstof-, waterstof- zuurstof-, stikstof- en zwavelatomen. Met de bouwstenen dus waaruit ook organische moleculen in de natuur zijn opgebouwd. Deze week voegt Feringa, met collega’s uit zijn eigen groep en van de University of East Anglia in Norwich, in Nature Chemistry een nieuw stukje aan dat onderzoek toe.

De motoren van Feringa bestaan uit een as met rotorbladen eraan. Zo’n as koppelt hij bijvoorbeeld aan een vaste ondergrond – dat levert een molentje, of een schoepenrad. En door vier van deze raderen aan een carrosserie te koppelen ontstond vorig jaar ook een autootje met vierwielaandrijving – door de Chinese wetenschappers dus aangemerkt als een van de tien grootste doorbraken van 2011.

Dat zo’n molentje met enige snelheid draait, en dat zo’n autootje met enige vaart over een koperen wegoppervlak hobbelt, is te danken aan jarenlang sleutelen en testen. In 1999 duurde het nog een uur om de schoepen één rondje te laten draaien. Tegenwoordig wentelen ze een miljoen keer per seconde. In het Engelse lab hebben Feringa en collega’s die beweging nu met behulp van ultrakorte laserpulsen tot op de honderdduizendste nanoseconde (een nanoseconde is een miljoenste milliseconde) ontleed.

In grote lijnen was die beweging natuurlijk goed bekend. De crux is dat een koolstofatoom met schoepen altijd star aan de ondergrond of carrosserie koppelt. In chemische termen: die koppeling (de as) bestaat uit een dubbele binding. Maar als de chemici aan dat molecuul energie toevoegen, zoals in de vorm van licht van een goed gekozen golflengte, dan komt die as losser te zitten (een enkele binding) .

Zo kunnen de schoepen een kwartslag draaien, waarmee de motor als in een ouderwets speeldoosje een eindje opgedraaid wordt. En als ze daarna ter ontspanning nog een kwartslag draaien, zorgt het ontwerp van het molecuul ervoor dat ze niet terugdraaien, maar verder vóóruit. Na twee keer belichten zijn de schoepen dus één keer rond.

Eerder hadden de chemici vooral de tweede kwartslag in het proces, het ontspannen dus, onderzocht. Die verloopt het traagst en hier was dus de meeste snelheidwinst te verwachten. Maar nu hebben Feringa en collega’s juist bestudeerd hoe het licht de schoepen hun eerste kwartslag laat draaien, als een schakelaar.

Dat gebeurt binnen 0,9 tot 1,5 picoseconden (duizendste nanoseconde), razendsnel dus, ontdekten ze. Daarnaast kregen ze ook meer inzicht in de subtiele veranderingen die het licht verder teweeg brengt in de nanomotor (het ontstaan van vibraties, de aard van de as).

“Het mooie is”, zo licht Feringa aan de telefoon toe, “dat hetzelfde mechanisme er ook voor blijkt te zorgen dat wij kunnen zien. In het netvlies van ons oog zitten een paar miljard moleculen die onder invloed van licht op net zo’n wijze als schakelaartjes omklappen.”

Maar de schakelaartjes en schoepenraden die Feringa ontwerpt – “we hebben er een intussen een hele rits” – zijn wél veel robuuster. Logisch, want ze moeten op termijn dienen als schakelaartjes in een minuscuul geheugentje dat langdurig foutloos moet blijven werken zonder dat het, zoals de natuur, zichzelf kan repareren. Of als ‘wielen’ in een nano-fourwheeldrive die zonder haperen moet kunnen rijden – zelfs mèt ‘lading’.

De nieuwe inzichten helpen bij het verder sleutelen daaraan. En aan nieuwe nanomachientjes: zoals een wagentje met twee aangedreven wielen én lading, verklapt Feringa.

Margriet van der Heijden