Moleculaire knopen leggen is veel gepriegel

Scheikundigen knoopten moleculaire draden in elkaar. De volgende stap: minuscuul weven.

Een in theorie eindeloos lange lap stof, zoals de onderzoekers die hebben gemaakt.
Een in theorie eindeloos lange lap stof, zoals de onderzoekers die hebben gemaakt. Foto Stuart Jantzen/Biocinematics

Knopen, rijgen en weven, maar dan met moleculen. Dat lukte onderzoekers aan de University of Manchester in een tweetal studies die vorige week maandag in Nature Chemistryen woensdag in Nature verschenen.

In de eerste studie vouwden chemici stukjes draad ter grootte van één molecuul zo langs elkaar dat een zogeheten ‘eindeloze knoop’ ontstond. In het tweede onderzoek werd dat motief aan elkaar geregen zodat een in theorie eindeloos lange lap stof ontstaat, alsof het uit een piepklein weefgetouw is gekomen. Over het bewijs dat het grote geweven materiaal echt gemaakt is, bestaat nog discussie.

Het lukte de onderzoekers in 2018 al om de ‘oudewijvenknoop’ te leggen in moleculen – de veelgebruikte ‘mislukte’ platte knoop. Die knoop bestaat uit twee draden die elkaar zes keer kruisen. De nieuwe knoop is een stapje ingewikkelder: de draden kruisen elkaar negen keer. Daarna verbonden ze de uiteinden aan elkaar tot één draad, waardoor het nu een 'eindeloze' knoop is.

Knopen met stugge staafjes

Dat is scheikundig een indrukwekkende prestatie. De scheikundigen knoopten niet met flexibel touw, maar met stugge staafjes. Om de eindeloze knoop te maken – de draad moet onder een andere draad door, boven de volgende langs, en dan weer onderdoor – moeten de moleculen dus precies langs elkaar passen. Ze probeerden tientallen verschillende bouwstenen, maar die pasten allemaal net niet in elkaar.

Een „stukje genialiteit” van een medewerker bracht de oplossing, vertelt David Leigh. Hij is hoogleraar organische chemie in Manchester en leider van het onderzoek. De medewerker dacht aan een specifiek molecuul – een complex van het metaal zink – dat precies in het gat tussen de draden past, en ze op de juiste manier langs elkaar begeleidt. Eerst onderdoor en dan bovenlangs zigzagt de draad langs twee andere.

„Die zigzag zit heel slim in elkaar”, zegt Jan van Maarseveen, hoogleraar organische chemie aan de Universiteit van Amsterdam. Daar maakt zijn groep onder andere ‘catenanen’ en ‘rotaxanen’, complexe moleculen die op vergelijkbare manier in elkaar verwikkeld zijn. De draden in de knoop van Leigh zijn zo ontworpen dat ze spontaan op de juiste manier om elkaar heen vouwen, legt hij uit. „Het ontwerp is zó slim. Een fantastische studie.”

Keltische versieringen

Er is nog enige discussie over hoe je het structuurtje moet noemen. Volgens de auteurs is het een eindeloze knoop. Dat is eigenlijk geen knoop maar een motief, dat onder andere in oude Keltische versieringen en in boeddhistische kunst voorkomt. Van Maarseveen noemt het molecuul liever een „moleculaire mattenklopper”. Zolang je de uiteinden niet vastknoopt zou het motief in ieder geval wel uit een weefgetouw kunnen komen, vertelt een medewerker van de vereniging Weefnetwerk. „Dit kun je een linnenbinding noemen. De draden kruisen elkaar een-op-een neer en in de volgende rij precies andersom.”

In de vervolgstudie, die twee dagen later uitkwam, probeerden de onderzoekers van dat motief dan ook een veel groter materiaal te weven. Weer op moleculaire schaal, maar als je de knopen lang genoeg aan elkaar rijgt, zou je levensgrote vlakke materialen kunnen maken, zoals een geweven stof. Zo’n molecuul, dat is opgebouwd uit een eindeloos herhaalde bouwsteen, is dan een polymeer, net als bijvoorbeeld plastic. Op moleculaire schaal lijkt plastic op een verzameling van eindeloos lange spaghettislierten, in de vorm van een net. Omdat het nieuwe materiaal van Leigh juist niet gemaakt is van spaghettipolymeer, maar van dicht op elkaar geweven draden, zou het „gruwelijk sterke materialen” opleveren, zegt Van Maarseveen.

Het weefsel dat de scheikundigen hebben gemaakt, laat dat al zien. Het materiaal is twee keer zo hard als niet-geweven polymeer. En het heeft meer chemisch interessante eigenschappen: kleine geladen moleculen kunnen erdoorheen, maar grote niet. En je kan het netjes langs een rechte lijn afscheuren, zoals dat bij vershoudfolie niet kan. En in de toekomst zou je het materiaal zo kunnen maken dat het ‘zelfhelend’ is wanneer het kapot gaat.

Heikel punt

„De synthese van dit soort tweedimensionale structuren is een zeer lang gewenste droom”, zegt Bert Meijer. Hij is hoogleraar organische chemie aan de Technische Universiteit Eindhoven, met een specialisatie in polymeerchemie.

„Maar”, vervolgt hij, „meerdere labs proberen al lang deze materialen te maken, en de bewijslast is altijd een heikel punt. In mijn ogen zijn ook de experimenten van Leigh niet eenduidig over dat het nu wel gelukt is.” Het geweven motief is op kleine schaal zeker gemaakt, legt hij uit, maar of het grote materiaal ook helemaal van dat motief gemaakt is, is niet helemaal zeker. „Relatief grote microscopische metingen in een volgende studie kunnen 100 procent zekerheid bieden. Dan kan aan toepassingen gedacht worden.”

Over de schoonheid van de moleculaire knoop kent Meijer geen twijfel. „De groep van Leigh is geweldig in het maken van dergelijke moleculaire bouwwerken. De studie in Nature Chemistry is heel mooi en een scheikundig hoogstandje.”