Moleculaire machines geflitst
Moleculaire machines bewegen zeer snel, waardoor hun gedrag met gangbare methoden niet of moeilijk is waar te nemen. Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam hebben in een samenwerking met de Universiteit van Amsterdam en de University of Edinburgh een methode gevonden om toch te kunnen zien hoe moleculaire machines bewegen. Hiertoe wordt de moleculaire machine 'geflitst' met twee zeer korte infrarode lichtpulsen. De korte 'sluitertijd' maakt het mogelijk de vormveranderingen van moleculaire machines direct te volgen. Daaruit kan hun beweging worden afgeleid. De onderzoekers verwachten dat deze methode zal helpen bij het ontwerpen van nieuwe 'tailor-made' moleculen voor de nanotechnologie. Ze publiceren hun resultaten op 5 september 2005 in de online-editie van het wetenschappelijke tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Op 20 september 2005 verschijnen de resultaten in de 'papieren' versie.
Tegenwoordig kunnen in het laboratorium moleculen worden gemaakt die werken als minuscule machines. Zo kan men inmiddels motortjes, raderwerkjes en liftjes construeren die bestaan uit slechts één molecuul. Doordat ze zo klein zijn, is het gedrag van deze moleculaire machines totaal anders dan van de machines uit ons dagelijks leven, zoals stoommachines, fietsen of space shuttles. Omdat die machines uit het leven van alledag veel groter zijn dan de moleculen waaruit ze zijn opgebouwd, kan hun beweging goed worden beschreven zonder precies te weten wat er gebeurt op atomair niveau. Dat zal voor moleculaire machines zeker niet het geval zijn. Het is bijvoorbeeld onbekend hoe wrijving zich manifesteert op moleculaire schaal: voor een moleculaire machine zijn de moleculen die normaliter de wrijving veroorzaken immers even groot als de machine zelf. Om de mechanica van moleculaire machines te onderzoeken zouden hun elementaire draai- en schuifbewegingen direct moeten kunnen worden waargenomen. Omdat deze bewegingen echter op zeer korte tijdschalen (microsecondes - een miljoenste - tot zelfs picosecondes - een miljoenste van een miljoenste seconde) plaatsvinden, kunnen ze moeilijk direct worden waargenomen.
Op het FOM-Instituut voor Atoom en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam is een experimentele methode ontwikkeld waarmee deze tijdsbarrière wordt geslecht; de structuur van een molecuul of een complex van moleculen kan worden bepaald met behulp van infrarode lichtpulsen. Bij deze methode zijn principes uit de NMR-spectroscopie op slimme manier vertaald naar optische spectroscopie. In NMR - de techniek waarop bijvoorbeeld de MRI-scanner is gebaseerd - worden radiopulsen gebruikt om waterstofkernen te 'zien' en dat levert informatie over de structuur van de onderzochte materie. In het hier beschreven experiment gebruiken de onderzoekers zeer korte infrarode lichtpulsen om de trillingen in de onderzochte moleculen af te lezen en dat levert informatie over de structuur van die moleculen. Sinds enkele jaren is het mogelijk om zeer korte infrarode pulsen te maken, en daarmee kunnen veranderingen in die structuur over een zeer kort tijdsbestek worden gemeten. Vooralsnog is de methode alleen toegepast op kleine biomoleculen. Olaf Larsen (AMOLF) en Pavol Bodis (AMOLF/Universiteit van Amsterdam) laten, onder begeleiding van Sander Woutersen (AMOLF) en in samenwerking met Wybren Jan Buma (UvA) en David Leigh (University of Edinburgh), in de publicatie in PNAS zien dat het ook mogelijk is moleculaire machines op deze manier te bestuderen.
Hiertoe hebben ze de structuur bepaald van een nanosysteem, een zogeheten rotaxaan, dat bestaat uit een wieltje met een diameter van 1 nanometer (een miljoenste millimeter) en een ongeveer even klein asje. Het wiel wordt vastgehouden op de as door middel van twee dopjes aan de uiteinden (schematisch weergegeven in de figuur). Van dit soort nanosystemen wordt verwacht dat ze gebruikt kunnen worden als moleculaire schakelaars.
Wisselwerking blootleggen
In het experiment wordt het moleculaire complex 'geflitst' met twee infrarode pulsen. Een van de pulsen is afgestemd op de trillingsfrequentie van de koolstof-zuurstofbindingen (CO; de rode staafjes in figuur) in het wiel; de andere puls is afgestemd op de trillingsfrequentie van de CO-bindingen in de as. Hierdoor kunnen de wetenschappers waarnemen hoe de ene CO-binding de andere beïnvloedt: hun wisselwerking en dus hun ligging ten opzichte van elkaar wordt daarmee blootgelegd. Zo wordt het voor het eerst mogelijk om tijdsopgelost te bekijken hoe het wieltje eigenlijk om het asje zit. De sluitertijd van de moleculaire flitsfoto is 1 picoseconde (een miljoenste van een miljoenste seconde). Door een aantal opnamen achter elkaar te nemen, wordt het mogelijk filmpjes te maken van bewegende moleculaire machines, een project waaraan op dit moment al wordt gewerkt. Daardoor zal een beter beeld worden verkregen van de manier waarop bewegingen in moleculaire machines plaatsvinden. Deze kennis kan worden gebruikt bij het ontwerpen en optimaliseren van nieuwe nanomachines.