Een moleculaire machine gedraagt zich als iemand die een slokje teveel op heeft: onvoorspelbaar en meestal wakker wordend op een andere plek dan zijn eindbestemming. Matthijs Panman promoveert binnenkort aan de Universiteit van Amsterdam op onderzoek waarin hij de beweging van nanomachines ontrafelde.
Vier jaar lang bestudeerde promovendus Matthijs Panman aan de Universiteit van Amsterdam voor het oog onzichtbare piepkleine moleculaire machines. Machines van slechts één molecuul groot, gebaseerd op de architectuur van rotaxaan (zie kader). Over de beweging van moleculaire machines was nog niet veel bekend. Panman ontrafelde tijdens zijn promotieonderzoek hoe de onderdelen van moleculaire machines bewegen en werken.
Zijn proefopzet bestond uit een rotaxaan met twee ankerpunten, of stations. De ring is te verschuiven van het ene naar het andere punt door middel van een korte UV-laserpuls. Hij observeerde de beweging van de bewegende onderdelen tot in detail met vibratiespectroscopie: een techniek waarbij het machientje beschenen wordt met infraroodlicht. Door de beweging verandert het infraroodspectrum van de machineonderdelen en die pieken zijn duidelijk te volgen op een computerscherm.
Rotaxaan
Een rotaxaan is een molecuul bestaande uit een ring om een draad. Aan beide uiteinden van de draad zitten stoppers zodat de ring er niet vanaf schuift. Op de draad zitten twee ankerpunten (niet weergegeven) die de ring kunnen vastgrijpen door middel van waterstofbruggen. Als je de moleculaire machine een ultraviolet lichtflitsje geeft, beïnvloedt dat de waterstofbruggen en verschuift de ring van het ene ankerpunt naar het andere.
Grafische weergave rotaxaan.
Wikimedia Commons, M. StoneHindernisbaan
Samengevat is de manier waarop het machientje beweegt te vergelijken met een spelshow, ontdekte Panman. De ring is de deelnemer en de draad een hindernisbaan. Alle deelnemers beginnen bij het eerste station. Het doel van het spel is om het eindstation te bereiken.
De deelnemers moeten eerst een glibberige heuvel beklimmen. Panman: “Dit symboliseert de energie die het kost om de waterstofbruggen tussen de ring en het station te verbreken. Degenen die bovenop de heuvel aankomen, moeten zich daarna door een hoepel wringen om de andere kant van de heuvel te bereiken. Hiervoor moeten ze hun lichaam op een bepaalde manier buigen. “Dit betekent dat de ring een bepaalde conformatie moet aannemen om over de draad te bewegen”, legt Panman uit.
Dan wordt het echt lastig. Want komen de deelnemers door de hoepel? Dan stuiten ze meteen op een doolhof. De uitgangen komen uit bij het laatste station óf terug bij het begin. Niet makkelijk, want de meeste paden leiden terug naar het begin. Dat betekent dat de deelnemer opnieuw moet beginnen. Maar als deelnemers, per toeval, het einde bereiken blijven ze er uitgeput maar voldaan zitten.
Conclusie? De beweging van de ring is te omschrijven als een dronken man die onvoorspelbare stapjes zet tussen de start en zijn eindbestemming.
Onvoorspelbaar
De vergelijking van het moleculaire machientje met een spelshow laat zien dat beweging op moleculair niveau willekeurig is. Wanneer het zijn functie uitvoert is daardoor vrij onvoorspelbaar. Dit in tegenstelling tot machines uit het dagelijks leven, zoals automotoren, die altijd meteen starten als je de tank hebt volgegooid en de sleutel omdraait.
Water ‘smeert’ de nanomotor.
FOM | UvAHet moleculaire machientje wordt iets voorspelbaarder en gaat sneller bewegen door het te ‘smeren’ met wat watermoleculen, ontdekte Panman min of meer toevallig. Aan toepassingen denkt hij nog niet, althans niet op korte termijn. “Het ging er echt om begrip te krijgen van hoe het geheel beweegt. Maar ik kan me voorstellen dat als je meerdere moleculaire machines bij elkaar brengt en ze synchroniseert dat ze bijvoorbeeld op nanometerschaal massa kunnen vervoeren.”
Of hij na vier jaar onzichtbare machines bestuderen er nu genoeg van heeft? “Nee”, antwoord Panman beslist. “Ik wil zeker verder in het onderzoek.”