Hoera, een Nobelprijs! Maar wat is een nanomachine eigenlijk?

Nanotechnoloog Ben Feringa won woensdag een Nobelprijs voor zijn onderzoek aan nanomachines. Maar wat zijn nanomachine precies?

Nano-auto met four-wheeldrive. Foto Nature

De kleinste machines ter wereld zijn duizend keer dunner dan een menselijke haar. Onzichtbaar en geruisloos verrichten ze hun werk in Groningen, in het lab van Nobelprijswinnaar Ben Feringa, hoogleraar organische chemie. Ze hebben nog steeds geen praktische toepassingen, maar de beloftes voor technologie en geneeskunde zijn zeer groot.

Het Nobelcomité vergelijkt nanomachines met de elektromotor rond 1830, toen onderzoekers enthousiast krukassen en wielen lieten draaien in hun labs, zonder een idee te hebben van de wasmachines, ventilatoren en elektrische locomotieven die nog in het verschiet lagen.

Licht als brandstof

Feringa’s motoren bestaan uit minuscule rotorbladen die wentelen om een asje. Ze zijn opgebouwd uit de kleinst denkbare bouwsteentjes: atomen koolstof, waterstof, zuurstof, en stikstof. Ultraviolet licht is de brandstof waarop deze motoren draaien.

Woensdag bleek de nanomotor van Feringa goed voor een Nobelprijs voor de Scheikunde. Feringa deelt de prijs met Fransman Jean-Pierre Sauvage en Schot Fraser Stoddart. Samen heeft het drietal de weg geëffend voor complexere nanomachines, die uiteindelijk moeten leiden tot nieuwe typen moleculair geheugen, sensoren en batterijen.

Nanomachines zijn minieme machines met beweegbare onderdelen. In de natuur bestaan die al langer, zoals het zweepstaartje waarmee bacteriën zichzelf voortstuwen. En onze eigen cellen bevrijden energie uit voedsel met een eiwit dat werkt als schoepenrad.

De eerste stap naar kunstmatige nanomachines werd gezet door chemici in de jaren 50 en 60. Zij slaagden erin twee ringmoleculen in elkaar te klinken, als twee ringen in een maliënkolder. Normaal zijn verbindingen tussen atomen star, maar dit was een molecuul dat bestond uit twee beweeglijke onderdelen.

Jean-Pierre Sauvage bedacht in 1983 een efficiëntere manier om op grotere schaal te produceren. En hij maakte een proto-machine: een ring die op gecontroleerde wijze om een andere ring heen draaide.

Boerenzoon

De volgende grote stap werd gezet in 1991, door de Schot James Fraser Stoddart. Stoddart, een boerenzoon die opgroeide op een boerderij zonder elektriciteit, maakte een moleculaire ring die heen en weer konden schuiven over een grotere as. Dikke uiteinden zorgden ervoor dat het moleculaire ringetje niet van de as kon vallen.

Stoddart breidde de as uit met twee ‘stations’, waar de ring als een shuttle heen en weer tussen kon bewegen. Stoddart gebruikte de techniek om een moleculaire lift te maken die zichzelf 0,7 miljoenste millimeter (0,7 nanometer) boven een oppervlak uit kan tillen.

In navolging van Stoddarts moleculaire schakelaar kwamen er moleculaire tandwielen. Palletjes. Tourniqets. Maar voordat Feringa (ook al een boerenzoon) het deed, was het nog niemand gelukt een rotatiemotor te maken.

Het grootste probleem is dat moleculen bestaan in een ‘Browniaanse wereld’, waar onvoorspelbare trillingen moleculen grillig laten bewegen. Een draaibaar onderdeel zal even vaak rechtsom als linksom draaien. Hoe zorg je er dan voor dat de motor één kant op draait?

Feringa’s oplossing was een asymetrisch molecuul, dat bij elke stap maar één richting op kan draaien, als een palrad. Die twee ‘rotorbladen’ bestaan uit cyclische koolwaterstofverbindingen die met elkaar verbonden zijn door een dubbele koolstofverbinding, de as.

Normaal is zo’n verbinding star, maar een puls ultraviolet licht kan de dubbele band verzwakken waardoor een rotorblad een halve wenteling kan maken. Na twee lichtpulsen is de draai compleet.

Nano-auto’s

De eerste nanomotoren waren nog traag. Een omwenteling duurde een uur. Inmiddels heeft Feringa zijn nanomachines verder geperfectioneerd: ze maken nu 12 miljoen rotaties per seconde. Feringa is er ook in geslaagd het motortje op een kwartsplaat te verankeren. Verankering is essentieel om de motoren te laten dienen als aandrijving, anders doen de de motoren weinig meer dan eindeloos rondwentelen in een oplossing.

In 2011 bouwde Feringa een ‘nano-auto’ die over een oppervlak kan bewegen, met four-wheel-drive: de motoren fungeren tegelijkertijd als wielen.

De moleculaire machines van Feringa kunnen al werk verzetten in de ‘grote wereld’. Feringa heeft een nanomotor glazen cylinders laten draaien die 28 micrometer (28 duizendste millimeter) lang waren, 10.000 keer groter dan de nanomotors zelf.

Wat ligt er in het verschiet? Programmeerbare nanomachines wellicht, die in het lichaam weefsels repareren. Of robots die moleculen produceren. Niemand weet het nog precies.