Door toevoeging van een modulator zijn twee draairichtingen mogelijk

In de zoektocht naar nieuwe materialen die verschillende functies kunnen uitvoeren, wordt veel verwacht van de zogeheten nanomachines: moleculen die als een motor of een schakelaar werken. In Nature Nanotechnology beschrijven Franse onderzoekers een nieuw type nanomachine waarmee ze de draaibeweging van een andere moleculaire motor ongedaan kunnen maken. Met deze combinatie laten ze een gel gecontroleerd samentrekken en weer uitzetten.

29 maart 2017

Even in z’n achteruit lukt bij een moleculaire motor nog niet.
Bobo is soft via Wikimedia Commons, publiek domein

Sinds de Groningse hoogleraar Ben Feringa in oktober 2016 de Nobelprijs kreeg, zijn termen als nanomachine, moleculaire motor en nanoauto een stuk bekender geworden. Een moleculaire motor is een speciaal ontworpen molecuul dat een gerichte beweging vertoont onder invloed van een signaal van buitenaf, vaak in de vorm van licht. Moleculen trillen en bewegen continu, maar die bewegingen zijn willekeurig en in alle richtingen. Netto gebeurt er daarom niets.

Maar een moleculaire motor is anders. Dit zijn moleculen die wél een voorkeursbeweging laten zien. Bijvoorbeeld door slechts één kant op te draaien. Dat kun je gebruiken om arbeid te verrichten. De groep van Feringa heeft bijvoorbeeld laten zien dat je met heel veel van deze moleculaire motoren een beweging op grotere schaal – veel groter dan de afmetingen van de moleculen – in gang kunt zetten.

Hoe indrukwekkend deze onvoorstelbare kleine motortjes ook zijn, ze blijven altijd dezelfde kant op draaien. Om de draairichting te veranderen moet je de chemische structuur van de moleculaire motor veranderen. Dat is niet handig als je denkt aan toepassingen in materialen die kunnen reageren op nieuwe omstandighden, zonder dat je de samenstelling van het materiaal moet veranderen. Dus willen chemici meer controle over hoe de nanomachines bewegen. Een auto wil je tenslotte ook graag achteruit kunnen rijden. De nieuwe uitdaging voor de moleculaire motoren is om de draaiende beweging of het effect van die beweging om te keren. Zodat je niet alleen ‘héén’ maar ook ‘terug’ kunt gaan.

Motor + modulator

De onderzoeksgroep van Nicolas Giuseppone aan de Universiteit van Straatsburg presenteert in Nature Nanotechnology een oplossing: ze voegen een moleculaire rotor of ‘modulator’, toe die in tegengestelde richting kan draaien. Het effect laten ze zien in een gel, waarin de motoren en modulatoren met lange polymeerketens aan elkaar zijn verbonden. Onder invloed van UV-licht gaan de motoren draaien, waardoor de polymeerketens om elkaar heen worden ‘gevlochten’. Het netwerk in de gel wordt compacter, wat op groter niveau zichtbaar is omdat de gel krimpt. Overschakeling van UV- naar zichtbaar licht zorgt ervoor dat de motoren stoppen met draaien en dat de modulatoren juist in actie kunnen komen. Zij maken een draaiende beweging in tegengestelde richting. De polymeerketens ontvlechten zich en het hele netwerk wordt losser van structuur. De gel zet weer uit tot het originele volume.

Schematische weergave van een gel met daarin een motor (rood-blauw) en een modulator (groen-paars). Zodra de motor onder invloed van UV-licht gaat draaien, wikkelen de polymeerketens om elkaar heen tot een meer compacte structuur ontstaat. Als er ook een modulator in het netwerk zit (onder) die in tegengestelde richting van de motor draait, kan het systeem samentrekken en, als er zichtbaar licht (Vis) op valt, ook weer uitzetten naar het originele volume.
J.T. Foy, et al, Nat Nanotech (2017), doi:10.1038/nnano.2017.28

De toepassing in een gel is goed gekozen, vindt Sander Wezenberg, universitair docent in de Feringa-groep aan de Rijksuniversiteit Groningen. “De meeste groepen werken aan moleculaire motoren in oplossing, maar zij laten zien dat het ook in een materiaal kan werken en dat de moleculaire bewegingen het volume van de gel kunnen bepalen.” Overigens hebben ze dat laatste al eens laten zien. In 2015 publiceerde de groep van Giuseppone een gel met daarin ook een lichtgevoelige moleculaire motor. Onder invloed van licht kromp de gel. Hiervoor gebruikten ze de methode met de om elkaar heen wikkelende polymeerketens, maar dat was een onomkeerbaar, eenmalig proces.

Onafhankelijk opereren

Dat probleem hebben ze nu aangepakt door een modulator op te nemen in het netwerk die de polymeerketens weer kan ontvlechten. Wezenberg: “Het bijzondere is dat de motoren en modulatoren onafhankelijk van elkaar kunnen opereren, doordat ze op verschillende lichtsignalen reageren. Dat maakt controle en aansturing mogelijk. Wat ze eigenlijk hiermee laten zien is een methode om lichtenergie om te zetten in potentiële energie die je vervolgens gecontroleerd kunt laten vrijkomen.” Voor dat vrijkomen heb je echt de modulatoren nodig. In de gel met alleen motoren is van uitzetting geen sprake, de opgebouwde energie door het opwikkelen van de ketens ontlaadt zich dus niet vanzelf.

Engelstalig filmpje waarin de werking van de motor-modulator combinatie wordt uitgelegd.
Credits: SAMS Research Group

Hoe vaak kun je het proces herhalen, vraagt Wezenberg zich af. In de publicatie wordt daar niets over vermeld. “We hebben de hele cyclus van krimpen en uitzetten drie keer achter elkaar kunnen uitvoeren, waarbij de gel steeds terugkeerde naar de originele proporties”, laat Nicolas Giuseppone desgevraagd weten. “Daarna zien we vermoeidheidsverschijnselen optreden in het systeem omdat de moleculen beschadigd raken door blootstelling aan het licht. Dit is uiteraard een punt om te verbeteren, maar dat komt nog wel. Het gaat ons in deze publicatie in de eerste plaats om het concept. Bovendien, een volledige cyclus van krimpen en uitzetten op macroscopische schaal betekent wel dat de moleculen honderden rotaties hebben gemaakt. Vanuit dat oogpunt vinden we ons systeem al behoorlijk robuust.”

Krimpen en uitzetten van de gel, aangegeven met de rode driehoek. Foto links: de gel bij het begin van de meting. Foto midden: na drie uur blootstelling aan UV-licht is de gel gekrompen tot 68% van het originele volume. Foto rechts: na 48 uur blootstelling aan wit licht is de gel weer uitgezet tot het volledige originele volume.
J.T. Foy, et al, Nat Nanotech (2017), doi:10.1038/nnano.2017.28

Interne chaos

Een ander punt waar Wezenberg vragen bij stelt is de interne structuur van de gel. “De motoren en modulatoren zitten chemisch aan elkaar vast en die bindingen vormen snel als je alles bij elkaar doet, dus waarschijnlijk is het in die gel een behoorlijke chaos. De onderzoekers geven wel een plausibele verklaring over hoe het netwerk echt in elkaar zit, maar daar zit nog wel wat speculatie in. Het vraagt zeker verdere studie om op te helderen wat er precies gebeurt.”

Daar is Giuseppone het mee eens. “Voor iedere chemische gel geldt dat de samenstelling nooit helemaal uniform is, er zijn altijd zones met een afwijkende dichtheid en binnen een gel zie je daarom verschillen in uitzetting en krimp. We zijn nu bezig om meer in detail naar de structuur van deze gel te kijken. Maar wat we wel weten is dat een gelijke hoeveelheid motoren en modulatoren niet nodig is. We laten zien dat ook bij een katalytische hoeveelheid modulatoren van slechts vijf procent het effect op de gel zichtbaar blijft. Dat wijst erop dat de modulatoren toch goed verdeeld zijn binnen de gel.”

Bron:

Justin T. Foy, et al., Dual-light control of nanomachines that integrate motor and modulator subunits, Nature Nanotechnology (2017), doi:10.1038/nnano.2017.028

Chenfeng Ke, A light-powered clockwork, News&Views, Nature Nanotechnology (2017), doi:10.1038/nano.2017.44