Een werkende kunstmatige moleculaire machine
De natuur maakt in vrijwel elk belangrijk biologisch proces gebruik van moleculaire motors en machines. Anders dan de gebruikelijke willekeurige bewegingen in de moleculaire wereld, vertonen dergelijke moleculen bewegingen in één richting. Hiermee kunnen ze bijvoorbeeld vesicules ('blaasjes' met een bepaalde inhoud) in cellen transporteren. Het mechanisme van deze moleculen lijkt erg aantrekkelijk om te gebruiken voor moleculaire nanotechnologie. In de praktijk blijkt dat verre van gemakkelijk. Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen en de universiteiten van Edinburgh en Bologna zijn er nu als eersten in geslaagd een volledig synthetisch moleculair systeem te maken dat energie uit licht omzet in een beweging in één richting. Als demonstratie hebben ze hiermee een druppel vloeistof over een vlak oppervlak en zelfs tegen een helling van 12 graden omhoog getransporteerd. De onderzoekers beschrijven hun experiment in Nature Materials van september 2005. Het artikel gaat online op 28 augustus 2005.
De onderzoekers brachten op een verguld plaatje glas of mica een laagje zogeheten rotaxanen aan, van slechts één molecuul dik. Een rotaxaan is een organisch molecuul dat bestaat uit een staafje met aan beide uiteinden een grote molecuulgroep. Om het staafje heen zit een ring. Deze kan zich aan twee kanten van het staafje bevinden, maar heeft een voorkeur voor één kant. De grote molecuulgroepen voorkomen dat de ring van het staafje afraakt. Onder gewone omstandigheden zit de ring aan de voorkeurskant van het staafje. Wanneer een rotaxaan aan een verandering wordt blootgesteld (bijvoorbeeld bestraling met licht, het aanleggen van een elektrisch spanningsverschil, verandering van de temperatuur of de zuurgraad en zo meer), dan verplaatst de ring zich naar de andere kant van het staafje. Na een tijd (die kan uiteenlopen van honderd microseconden tot een aantal uren) schuift hij dan weer terug naar zijn voorkeurskant.
Het staafje van de rotaxanen bezit een fluorgroep. Deze groep hecht zich niet aan sommige vloeistoffen; een druppel van zo'n vloeistof blijft dan ook los op de rotaxanenlaag liggen (als waterdruppels in een tefalpan). De onderzoekers hebben hun laagje rotaxanen met ultraviolet licht beschenen. Daardoor schuiven de ringen van alle rotaxanen naar de andere kant van de staafjes en bedekken daarbij de fluorgroep. Het gevolg is dat de 'vloeistofafstotende' aard van het oppervlak verandert in een 'vloeistofaantrekkende'. Tussen de voor- en de achterkant van de druppel ontstaat een verschil in oppervlaktespanning en dit verschil vormt de kracht die de druppel in beweging brengt. Met het ultraviolette licht kan de toestand van het oppervlak van de rotaxanenlaag dus doelgericht worden beïnvloed.
Om te laten zien dat dit werkt, brachten de onderzoekers een druppeltje diiodomethaan op het oppervlak aan (deze vloeistof heeft een relatief zwakke wisselwerking met het oppervlak, in ieder geval veel minder dan bijvoorbeeld water). Aan één kant van de druppel beschenen ze het rotaxanenlaagje vervolgens met het ultraviolette licht. De oppervlaktespanning gaat daardoor veranderen, de druppel begint na enige tijd uit te vloeien en zich vervolgens te verplaatsen. In het filmpje (mpg bestand) is dit mooi te zien.
Op dezelfde manier bleek het mogelijk de druppel tegen een helling van 12 graden omhoog te laten bewegen. Het experiment laat zien dat moleculaire motors objecten die zeer vele malen groter zijn dan zijzelf kunnen transporteren over afstanden die met het blote oog zijn te zien. Mogelijke toepassing van dit soort mechanismen is denkbaar op microscopische schaal, bijvoorbeeld in een zogeheten lab-on-a-chip.
Het onderzoek is mede mogelijk gemaakt door financiële steun van FOM.
Meer informatie bij prof.dr. Petra Rudolf, Materials Science Centre, Rijksuniversiteit Groningen, telefoon: (050) 363 47 36.