Je leest:

Geen twee moleculen gedragen zich hetzelfde

Geen twee moleculen gedragen zich hetzelfde

Onderzoekers van de Universiteit Twente en de Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) hebben onlangs vastgesteld dat op zich identieke moleculen verschillend reageren op ‘belichting’ met een femtoseconde-laserpuls. Ieder molecuul blijkt net iets anders beïnvloed te worden door zijn omgeving. Verder onderzoek zal het mogelijk maken om razendsnelle processen zoals fotosynthese tot op het niveau van de afzonderlijke betrokken moleculen te ontrafelen en te begrijpen.

De ‘wetenschap’ dat alle moleculen gelijk zijn is het resultaat van theorievorming getoetst door experimenten waarin altijd vele moleculen tegelijk onder de loep werden genomen. Omdat processen in en tussen moleculen razendsnel verlopen, in femto- tot picosecondes, lukte het nog niet eerder het gedrag van individuele moleculen vast te stellen. De Onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit Twente hebben nu een methode ontwikkeld om het ultrasnelle gedrag van ieder molecuul apart te onderscheiden. Dat leverde meteen een verrassing op.

Onderzoekers bij de Universiteit Twente hebben een opstelling gebouwd om met behulp van een dubbele laserpuls het gedrag van afzonderlijke moleculen te kunnen meten. Beeld: MESA+

Eiwitten, netwerken van waterstofbruggen, antennecomplexen in fotosynthetische systemen, verbonden polymeerketens: het zijn allemaal complexe systemen met zeer dynamische eigenschappen. Processen die voor het functioneren van die moleculen essentieel zijn, zoals het overdragen van energie en lading, of reorganisatie van netwerken, verlopen razendsnel. Het gaat dan om tijdsbestekken van femto- tot picoseconden, ofwel 10-15 tot 10[^-12 ^]seconde. Met geschikte laserpulsen kunnen onderzoekers hier inzicht in krijgen. Experimenten aan individuele moleculen laten echter keer op keer zien dat onder complexe systemen een enorme veelheid aan verschijningsvormen schuil gaat, variabel van plaats tot plaats en moment tot moment. Voor een compleet beeld is er slechts één aanpak: de dynamica van individuele moleculen in tijdsbestekken van femtoseconden meten.

Elk molecuul reageert verschillend

Erik van Dijk (FOM), Jordi Hernando, Maria Garcia-Parajo, Kobus Kuipers (FOM-AMOLF) en Niek van Hulst, allen verbonden aan het instituut MESA+ van de Universiteit Twente, hebben nu voor het eerst in experimenten aan afzonderlijke organische moleculen in detail laten zien hoe een enkel molecuul reageert op ‘belichting’ met een laserpuls die enige femtoseconden duurt. De energie uit de puls brengt het molecuul in een hogere energietoestand. Het molecuul wil die energie zo snel mogelijk weer kwijt raken en doet dat eerst door deze over het molecuul te verdelen en daarna een foton (een ‘lichtdeeltje’) uit te zenden. Door deze zogenaamde fluorescentiestraling kan de aanwezigheid van het molecuul worden gemeten.

De truc van de Twentse onderzoekers bestaat nu uit het aanbieden van twee identieke laserpulsen van enige femtoseconden vlak na elkaar. De tweede puls geeft het molecuul een extra kans in de hogere energietoestand te komen en een fluorescentiefoton uit te zenden. Deze extra fluorescentie hangt af van de tijdsvertraging tussen de twee pulsen en de tijd van energieverdeling over het molecuul. Van molecuul tot molecuul blijkt dit tijdseffect te verschillen. Met andere woorden: het ene molecuul weet de verstoring die door de laserpulsen is opgewekt veel sneller kwijt te raken dan het andere molecuul. De ‘reactietijd’ van de moleculen blijkt te variëren van minder dan 50 femtoseconden tot wel 400 femtoseconden.

Hoe is dat verschil te verklaren? Het kan volgens de onderzoekers alleen maar als de moleculen de energie die door de laserpulsen is toegevoerd in een verschillend tempo opnemen en wellicht ook gedeeltelijk naar hun omgeving verdelen. De consequentie van deze vaststelling is dat op zich identieke moleculen door de omstandigheden van vorm kunnen verschillen. Met andere woorden: dezelfde moleculen zijn ‘in het echt’ toch niet hezelfde!

Het principe van het experiment (boven) en het resultaat. Een organisch molecuul wordt ‘belicht’ met twee laserpulsen, vlak na elkaar. Die dubbele puls levert meer fluorescentiestraling van het molecuul op dan één enkele puls. De toename groeit naarmate de vertraging tussen de pulsen groter wordt gemaakt. Dat kan alleen worden verklaard als elk molecuul onder invloed van zijn omgeving kennelijk net even iets anders van vorm is. Beeld: MESA+

Nieuwe veelbelovende methode

De techniek om dit gedrag te meten vormde een belangrijk onderdeel van het onderzoek van Erik van Dijk, waarop hij vorige maand met lof aan de Universiteit Twente promoveerde. De onderzoekers hebben met hun experimenten de basis gelegd voor een veelbelovende methode om de ultrasnelle overdracht van energie in natuurlijke en synthetische moleculaire systemen te ontrafelen. En dat onder natuurlijke omstandigheden – de onderzoekers deden hun metingen namelijk bij kamertemperatuur en onder normale atmosferische druk.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 10 maart 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.