Zilveren nanodeeltjes, die onderling in een structuur van meerdere lagen geordend liggen, gaan plotseling uit zichzelf draaien als er druk op uitgeoefend wordt. De zo ontstane moleculaire machines scharnieren en draaien in harmonie. Amerikaanse wetenschappers brachten dit ongewone gedrag van het materiaal aan het licht.
Het team van het Amerikaanse Georgia Institute of Technology maakte op zilver-gebaseerde nanodeeltjes die zich onderling rangschikken tot een regelmatige structuur met meerdere lagen. Materiaalwetenschapper Uzi Landman leidde het onderzoek.
Hij ontdekte dat dit nanomateriaal zich ongewoon gedraagt als het wordt samengedrukt. Die druk verandert de nanodeeltjes in scharnierende en draaiende moleculaire machines die wat weg hebben van tandwielen. De onderzoeksgroep deed verslag van het onverwachte gedrag van hun materiaal in het vakblad Nature Materials.
Zilveren kern
Eén nanodeeltje bestaat uit een kern van 44 zilveratomen met daaromheen een beschermende laag van 30 organische moleculen. Via hun zwavelatomen zijn de organische moleculen verbonden aan de zilveratomen. In een reageerbuisje rangschikken de op zilver gebaseerde nanodeeltjes zich onderling spontaan tot een regelmatig kristal (zie plaatje).
De nanodeeltjes maken namelijk contact met andere nanodeeltjes door er waterstofbruggen mee te vormen. Zo maakt elk nanodeeltje contact met zijn buren in dezelfde laag maar ook met de onder- en bovenburen. De structuur die zo ontstaat is zo regelmatig omdat de waterstofbruggen tussen de organische moleculen alleen ontstaan onder een bepaalde hoek. Dat beperkt de positie die de deeltjes ten opzichte van elkaar kunnen innemen.
Links de regelmatige structuur die de nanodeeltjes spontaan aannemen in oplossing. De zilveratomen (rood, groen en donkerblauw) zijn via een zwavelatoom (geel) gebonden aan de organische moleculen er omheen (lichtblauw, bruin en grijs) die uitsteken en waterstofbindingen aan gaan met naastgelegen deeltjes. Rechts de structuur onder druk: de deeltjes draaien en komen dichter bij elkaar te liggen zodat de lege ruimte opgevuld wordt. Het filmpje hieronder verduidelijkt het verder.
Courtesy Uzi LandmanLege ruimte
Tussen de deeltjes zit nog genoeg ruimte, zoals je op de linkerfoto hierboven kunt zien. Samendrukking van het materiaal zet de deeltjes aan te draaien, waardoor er minder lege ruimte overblijft.
“Als we op dit materiaal drukken wordt het zachter en zachter en ondergaat het plotseling een grote verandering”, zegt Uzi Landman. “Wanneer we kijken naar de oriëntatie van de microscopische structuur van het kristal, dan zien we dat er iets heel ongewoons gebeurt. De structuren beginnen ten opzichte van elkaar te draaien, waardoor er een moleculaire machine ontstaat met sommige van de kleinst bewegende elementen ooit.”
Tandwielen
Die beweging is mogelijk dankzij de waterstofbruggen, die als een soort scharnieren dienen om de nanodeeltjes makkelijker te laten draaien. Door de tandwielachtige werking bewegen de machientjes in de opeenvolgende laagjes in tegengestelde richting. In het ene laagje bewegen ze met de klok mee, in het laagje erboven en eronder draaien de deeltjes tegen de klok in (zie filmpje).
“Als je druk uitoefent op het materiaal dan wil het zijn waterstofbruggen behouden”, legt Landman uit. “Proberend om de waterstofbruggen te behouden, buigen alle organische moleculen de zilveren kern de ene kant op in de ene laag, en die in de volgende laag buigen en draaien de andere kant op.” De draaiende nanodeeltjes vallen in hun oorspronkelijke positie terug zodra de druk eraf gaat.
De onderzoekers gaan nog extra experimenten doen om meer te leren over het materiaal. Maar ze zien toepassingen voor het nanomateriaal voor schokabsorptie, om kracht om te zetten in mechanische beweging.