Je leest:

Moderne alchemisten

Moderne alchemisten

Auteur: | 25 september 2006

Loop jij straks rond met een nanorobot in je lichaam? Als het aan nanotechnologen ligt worden er in toekomst de meest fantastische machines gemaakt. Machines die honderd keer kleiner zijn dan de breedte van een haar en samen sterk genoeg zijn om een object honderd keer zwaarder dan zichzelf te bewegen.

Nanomachines of nanorobots zullen waarschijnlijk niet alleen gebruikt worden in technische apparaten maar ook in de mens zélf. De keerzijde van dit alles is dat wetenschappers niet precies weten wat voor machines kunnen worden gebouwd. Maar dat houdt ze niet tegen.

Voordat je een hele machine kan bouwen, moet je eerst weten “waaruit het bestaat” of in het geval van de nanotechnologie: eventueel zou kúnnen bestaan. Nanowetenschappers zijn nu vooral nog op zoek naar de bouwstenen van zo’n nanomachine: motoren, schakelaars, liften en zelfs krukassen, ventielen en beweegbare kleppen. Alles wat maar nodig zou kunnen zijn. Nu bedenken ze niet zomaar een ‘nanobouwsteen’. Vaak kijken ze eerst in de natuur, en vooral in het menselijk lichaam, waarmee die al die complexe processen van bijvoorbeeld de spijsvertering, het transport van zuurstof of het aantrekken van spieren stuurt.

De evolutie heeft het menselijk lichaam volgestopt met nanomachines. Die zijn niet opgebouwd uit stalen tandwielen of koperen stroomdraden, maar uit ingewikkelde moleculen die stoffen voorstuwen, oppakken, aanvallen, enzovoorts. In totaal bestaan deze biologische machines uit 20 verschillende aminozuren. De natuur heeft daar zulke ingewikkelde (eerder ingenieuze) machines van gemaakt dat het voor nanowetenschappers onmogelijk is om ze na te maken.

Gelukkig hebben wetenschappers veel meer keus dan die 20 aminozuren waarmee de natuur het mee moet doen. Eigenlijk oneindig veel meer. Ze proberen moleculen te bouwen die veel simpeler zijn, maar in principe hetzelfde kunnen als hun biologische tegenhangers. ‘Kijk maar eens naar een duif en een Boeing’, legt hoogleraar Ben Feringa uit. Hij leidt zijn eigen onderzoeksgroep aan de Rijksuniversiteit Groningen. ‘Beide kunnen vliegen, maar ze zien er totaal anders uit. Zo kun je ook de moleculen zien die wij maken.’ Feringa is een nanowetenschapper en kreeg in 1999 grote bekendheid toen hij als eerste ter wereld een nanopropeller had gebouwd: een molecuul dat onder invloed van licht rondjes draait.

De motor van Feringa bestaat uit twee delen. Door met licht op het molecuul te schijnen, draait het bovenste deel een kwartslag. Daarna springt het na warmtetoevoer over het onderste deel heen. Het draait dan weer een kwartslag verder onder invloed van licht. Vervolgens springt het weer en is het in de beginpositie en heeft het een heel rondje gedraaid. bron: Feringa, Rijksuniversiteit Groningen. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Nanobouwstenen

De nanopropeller kun je voorstellen als een staaf met een rotor die hierop ronddraait. Feringa heeft al laten zien dat hij met een aantal van deze motors samen een object dat 100 keer groter is kan laten ronddraaien. Alsof een stel mieren een melkpak voortduwt. Ook heeft hij een heus ‘lichtmolenpark’ aangelegd door honderden nanopropellers aan een goudoppervlak vast te lassen met moleculen die aan propellers én goud kunnen binden. Het is nu makkelijker om de propellers iets nuttigs te laten doen: bijvoorbeeld nanovrachtjes vervoeren, als sluis fungeren of kleine spiegels bewegen om zo een laserbundel naar een gewenste plek te leiden.

De nanopropeller op pootjes vastgemaakt aan een goudoppervlak. ._ © Feringa, Rijksuniversiteit Groningen_

De Amerikaanse wetenschapper Fraser Stoddart werkt al twee decennia in verschillende gebieden van de nanotechnologie. Ook hij heeft een nanomotor gebouwd, maar die werkt op een andere manier. Stoddarts motor ziet eruit als een halter die gewichtsheffers gebruiken. Tussen twee stations in het midden van de halter schuift een beweegbare ring heen en weer. Door de elektrische lading op de stations te veranderen kan de ring tussen de stations bewogen worden. Andere moleculen worden aan de ring verbonden en zo door Stoddart’s motor in beweging gezet.

Als er licht op het molecuul valt beweegt de ring zich van het groene naar het rode station. bron: Stoddart Supramolecular Chemistry Group, UCLA.

Het principe van Stoddarts nanozuiger is ook toegepast op een nanolift. Drie van de halters worden verticaal gezet en aan hun drie ringen wordt een platform bevestigd. Dat kan op commando omhoog en omlaag bewegen. Mogelijk wordt de lift ooit gebruikt om medicijnen in doses toe te dienen of om gecontroleerd twee chemische stoffen bij elkaar te brengen.

Een nanolift. Zuurstofringen dragen een platformpje dat op en neer beweegt. bron: UCLA.

Bottom-up, top-down en…

Feringa en Stoddart zijn wetenschappers die kijken naar de natuur en geïnspireerd raken door de biologische nanomachines. Ze proberen volledige kunstmatige systemen te bouwen, die uiteindelijk hetzelfde zouden moeten kunnen. Dit is de bottom-up-methode: van kleine onderdelen iets groters bouwen.

Een andere methode heet de ‘top-down-methode’. Deze methode wordt veel gebruikt in de elektronica, waar men grote dingen verkleint. Denk bijvoorbeeld aan het steeds verder verkleinen van transistors op computerchips waardoor snelle computers ontstaan.

Cees Dekker (hoogleraar aan de universiteit in Delft) gebruikt weer een andere methode. Waar Feringa en Stoddart geheel nieuwe moleculen bouwen, neemt Dekker bestaande moleculen uit de natuur en geeft ze een andere taak. Zo bouwde hij een lopende band van nanoafmetingen.

In een lichaamscel is het drukte van belang. Er huizen allerlei fabriekjes die elk hun eigen materialen nodig hebben om te kunnen functioneren. Om de juiste stoffen aan te voeren heeft de cel een uitgebreid wegennetwerk van strengen eiwitmoleculen. Over deze strengen verslepen kinesinemoleculen vrachtjes door zich met hun twee voetjes voort te duwen. Cees Dekker en zijn groep hebben deze infrastructuur omgedraaid. De kinesinemoleculen, die blijven trappelen met hun voetjes, worden met honderden tegelijk omgekeerd vastgemaakt aan een oppervlak. Over deze zee van ‘wandelende’ voetjes laat Dekker grote microtubules (onderdelen van het celskelet) van 1 tot 15 micrometer lang bewegen. Aan de microtubules kan Dekkers groep allerlei andere moleculen vastmaken. De kinesinehandjes duwen de hele lading vooruit, net als een lopende band in een fabriek.

De nanotubule crowdsurft over de wandelende voetjes heen. bron: TU Delft, Cees Dekker.

Een kijkje in de glazen nanobol

Niet alle nanowetenschap leidt meteen tot mooie toepassingen. Voordat Feringa zijn nanopropeller had ontdekt, gebruikte hij het molecuul als een ‘nanoschakelaar’. Een nanoschakelaar kan tussen twee vormen schakelen onder invloed van licht. Door de ene stand voor ‘0’ te gebruiken en de andere voor ‘1’ kun je data opslaan, net als met de stroompjes op een computerchip. Het propellermolecuul is zoveel kleiner dan de gewone data-opslagsystemen, dat er 240 jáár muziek op een CD past. Helaas weet Feringa nog niet hoe je elk molecuul apart kunt aansturen. Voorlopig dus geen nanoharddisk. Maar: wie weet lopen we in de toekomst wel met een recorder op zak die elk moment van ons hele leven (én dat van onze ouders en grootouders) opneemt. Misschien huizen er dan nanobotjes in ons lichaam die ongezonde stoffen opsporen en vernietigen. Geen ziektes meer, omdat virussen en zelfs kankercellen door de nanobots worden opgeruimd voor ze kwaad kunnen doen.

Dat alles ligt in de verre toekomst. De bestaande nanobouwstenen zijn nog niet geschikt om nanomachines mee te bouwen. Nanowetenschappers hebben nog heel wat werk voor de boeg voordat ze er nanomachines van kunnen bouwen. En vinden mensen het eigenlijk wel prettig om met honderden krioelende nanobotjes in hun lijf rond te lopen?

Zelfs wetenschappers hebben hun bedenkingen. Een aantal is bang voor grey goo, zich ongecontroleerd vermenigvuldigende nanomachines die alles opeten dat ze tegenkomen. De Britse kroonprins Charles riep in 2003 op tot voorzichtigheid vanwege het gevaar van grey goo, maar vooraanstaande onderzoekers in het gebied hebben sindsdien aangegeven dat er nooit zo’n nanoplaag kán ontstaan. De angst voor uit de hand gelopen nanobots geeft aan dat niet iedereen zo zeker is van de zegeningen van nanotechnologie. Feringa pleit voor een rationele benadering. ‘Er zal in ieder geval een discussie moeten komen over de mogelijke gevaren, zoals met elke nieuwe technologie, waarbij feiten en science fiction duidelijk gescheiden worden.’

Vandaag de dag bestaan toepassingen alleen nog uit (wilde) ideeën, worden niet altijd even serieus genomen en wekken soms zelfs afkeer op. De moderne ‘alchemist’ blijft proberen om alledaagse moleculen in ingenieuze machines te veranderen en is daar al een aantal keer in geslaagd.

Dit artikel is een publicatie van Rijksuniversiteit Groningen (RUG).
© Rijksuniversiteit Groningen (RUG), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 25 september 2006

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.