Je leest:

Druk laat moleculaire tandwielen draaien

Druk laat moleculaire tandwielen draaien

Auteur: | 15 april 2014

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.

De nanodeeltjes gedragen zich onder druk als moleculaire tandwielen.

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 Landman

Afwisselende laagjes

De zilveren nanodeeltjes met hun mantel van organische moleculen liggen geordend in een structuur die in de chemie bekend staat als ‘superlattice’. Een superlattice is opgebouwd uit afwisselende laagjes van verschillende materialen. Door zulke laagjes, van slechts enkele nanometers dik, op elkaar te stapelen vermengen de eigenschappen van de afzonderlijke materialen met elkaar. Op onverwachte manieren. Dat levert materialen op met geheel nieuwe eigenschappen.

Lege 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.

Bron:

Bokwon Yoon e.a., Hydrogen-bonded structure and mechanical chiral response of a silver nanoparticle superlattice Nature Materials, online publicatie op 6 april 2014 doi:10.1038/nmat3923

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 april 2014

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.