Moleculaire motoren doen hun werk in een kooi

Twintig jaar geleden publiceerde Ben Feringa, hoogleraar organische chemie aan de Rijksuniversiteit Groningen de eerste moleculaire motor – een molecuul dat onder invloed van licht gericht één kant op draait. Voor die ontdekking kreeg Feringa in 2016 de Nobelprijs voor de Scheikunde. Sinds die allereerste moleculaire motor is er een keur aan moleculaire motoren en machines ontwikkeld.

Om echt nuttig gebruik te maken van de moleculaire motoren moeten ze samenwerken. De motortjes zijn aan oppervlakken vastgezet en gebruikt in gels, vloeibare kristallen en kunstmatige spiervezels, waar ze in grote aantallen gezamenlijk werk kunnen verzetten op een zichtbare schaal. Maar het blijft een uitdaging om miljarden van deze piepkleine motortjes op een geordende wijze te verwerken in een vast materiaal en ze ook nog als een eenheid te laten functioneren.

Kooien

Die uitdaging hebben ze in Groningen opgepakt. Dat heeft geleid tot een werkend systeem waarin 3×10²⁰(een drie met twintig nullen) door uv-licht aangedreven motortjes per kubieke centimeter in zitten die bovendien allemaal tegelijk dezelfde kant op draaien.

De chemici gebruikten hiervoor een zogeheten MOF, een metal-organic framework. Dat is een soort kooi van metaalatomen die zijn verbonden door organische moleculen. Samen vormen de kooitjes een 3D kristal. Het stilstaande deel van de motor (‘stator’) vormt de verticale pilaren van de kooi, het bewegende deel (‘rotor’) kan vrij ronddraaien in de kooi. De kooien zijn zo groot gemaakt dat de rotors ongehinderd volledige omwentelingen kunnen maken, wanneer ze met uv-licht worden beschenen.

Pomp

Maar nu blijkt het dus toch mogelijk om een motor-MOF te maken; een kristal waarin kooitjes met moleculaire motoren dicht op elkaar gepakt zitten. Zo’n kristal zou je bijvoorbeeld kunnen gebruiken om de verspreiding van gassen te controleren. Of als een door licht aangedreven pomp in de piepkleine kanaaltjes van ‘lab op een chip’-toepassingen. Dat zijn een soort miniatuurversies van laboratoriumopstellingen die met zeer kleine volumes werken.

Een andere mogelijke toepassing is om de motor-MOF stoffen te laten opnemen die vervolgens in de kooien met elkaar reageren en vervolgens door de motortjes weer naar buiten worden gepompt. Maar voor al deze toepassingen is nog veel onderzoek nodig. Het zou best kunnen dat moleculaire motoren last hebben van de stoffen die door de kooitjes stromen, wat weer leidt tot verstoppingen. Hoe dan ook, het systeem van Feringa en collega’s biedt in ieder geval de mogelijkheid om het collectieve gedrag van moleculaire motoren in een driedimensionale structuur verder te bestuderen.