Je leest:

Druppel tart zwaartekracht dankzij moleculaire motoren

Druppel tart zwaartekracht dankzij moleculaire motoren

Auteur: | 1 september 2005

Wetenschappers uit Groningen, Edinburgh en Bologna zijn er als eersten in geslaagd met moleculaire motoren een object te verplaatsen dat met het blote oog waarneembaar is. In de elektronische editie van het vakblad ‘Nature Materials’ beschrijven ze deze week hoe ze een druppeltje vloeistof kunnen verschuiven met behulp van rotaxanen, dat zijn moleculaire motoren die op licht ‘lopen’. Het verbazingwekkende verschijnsel krijgt wellicht toepassing bij het verpompen van vloeistoffen in ‘laboratoria-op-een-chip’.

Denk aan een glazen plaatje met een druppel erop. Hou het plaatje in gedachten scheef. Wat zal er met de druppel gebeuren? Precies. Kijk dan naar het experiment van de Groningse onderzoeksgroep. Daar beweegt de druppel schijnbaar moeiteloos omhoog! Als het moet zelfs bij een helling van 12% – een stijgingspercentage waar de wielrenners bij de Tour de France nog een harde dobber aan hebben.

“Nog nooit was ik zo blij met een beweging van een druppel,” zegt prof.dr. Petra Rudolf. Zij leidt bij het Materials Science Centre van de Rijksuniversiteit Groningen de groep die oppervlakten en dunne films onderzoekt. In haar groep werd met steun van de Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) het ‘bewegende druppel experiment’ uitgevoerd met rotaxaan-‘motormoleculen’ gesynthetiseerd door organisch chemici van de Universiteit van Edinburgh. Italiaanse onderzoekers ondersteunden het werk met theoretische modellen.

Ring om as

De drijvende kracht achter de miraculeuze verplaatsing van de vloeistofdruppel is de bestraling met ultraviolet licht in combinatie met de eigenschappen van de gebruikte rotaxanen. Deze bijzondere moleculen bestaan uit een lange koolwaterstofketen met daaromheen een ringvormige keten. De ring is niet chemisch gebonden en kan daarom vrij over de as heen en weer schuiven; grote molecuulgroepen op de aseinden voorkomen dat hij er af schuift.

Een zeer schematisch model van een rotaxaan. Boven de voorkeurspositie van de ring in het molecuul, beneden is de ring onder invloed van licht verplaatst. Illustratie: Stoddart Supramolecular Chemistry Group, UCLA

In het Groningse experiment werd gebruik gemaakt van ‘bestuurbare’ rotaxanen die op de asuiteinden over molecuulgroepen beschikken die waterstofbruggen kunnen vormen. Waterstofbruggen zijn bindende elektronische interacties tussen moleculen of molecuulgroepen. Het éne asuiteinde heeft bovendien lichtgevoelige eigenschappen, het andere bevat een fluorgroep met teflon-achtige, vloeistofafstotende eigenschappen.

Bij normale belichting zijn de waterstofbruggen aan het lichtgevoelige asuiteinde actief; de ring bevindt zich dan aan die zijde en de fluorgroep aan de andere zijde ligt ‘bloot’ zodat het rotaxaan vloeistoffen afstoot. Onder invloed van UV-licht echter verschuift de ring naar de andere kant van de as, daarbij het fluor afdekkend. De vloeistofafstotende eigenschap verandert daarbij radicaal: het molecuul gaat nu zelfs vloeistof aantrekken!

Collectief

De Groningse onderzoekers brachten rotaxanen aan op een verguld laagje glas en wel zo dat de laagdikte slechts één molecuul bedroeg. In zo’n laagje liggen de moleculen netjes geordend zodat ze tot collectieve actie in staat zijn en zo verkregen de onderzoekers een oppervlak waarvan de ‘bevochtigbaarheid’ met behulp van UV-licht is te beïnvloeden.

Model van een netwerk van rotaxanen. Illustratie: University of Windsor, Canada

Het oppervlak werd vervolgens voorzien van een druppeltje van één miljoenste liter vloeistof met een doorsnede van ongeveer 1mm. De vloeistof di-iodomethaan bleek het beste resultaat te geven: als vlak naast het druppeltje met een lichtstraal de ‘bevochtigbaarheid’ wordt veranderd, gaat het druppeltje bewegen in de richting van het belichte gebied. Dat lukt zelfs als het oppervlak schuin staat en de druppel tegen een helling van twaalf graden op moet klimmen.

De verplaatsing van een druppel vloeistof bij bestraling met ultraviolet licht. Het UV-licht beïnvloedt de wisselwerking tussen oppervlak en druppel zodanig dat de vloeistof wordt aangetrokken. Te zien is dat hierdoor de oppervlaktespanning verandert; de druppel begint na enige tijd uit te vloeien en verplaatst zich vervolgens in de richting van het UV-licht. Beeld: MSC/RUG

Vloeistoffen verpompen

Het gevonden principe zal goed gebruikt kunnen worden om uiterst kleine hoeveelheden vloeistoffen te verpompen in ‘laboratoria op een chip’, denkt Petra Rudolf. Vooral uit de medische hoek bestaat daarvoor veel belangstelling.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 september 2005

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.