Je leest:

Nanofabricage door spontane ordening

Nanofabricage door spontane ordening

Auteur: | 1 mei 2003

Een toekomst met zichzelf in elkaar knutselende en -vermenigvuldigende nanorobotjes die de wereld veroveren, neemt niemand meer serieus. Maar dat zelfassemblage een belangrijke rol gaat spelen in de toekomstige massaproductie van nanomaterialen, nanogeneesmiddelen en nano-elektronica, is zeker. De natuur is daarbij de belangrijke leermeester.

De natuurlijke evolutie heeft met zelfassemblage sublieme nanomachinerie in elkaar geknutseld. Zo stuwt een heen en weer zwiepende zweepstaartmotor een bacterie door een vloeistof voort. Een moleculaire motor roteert honderd maal per seconde waarbij hij ATP produceert, het brandstofmolecuul voor elke levende cel. Het ribosoom is een heuse eiwitproducerende nanorobot, terwijl een mitochondrie fungeert als mini-energiecentrale die glucose verbrandt en daarbij energie opwekt.

Wanneer een mRNA ( boodschapper-RNA) keten uit de celkern bij het ribosoom komt, dan worden de basen uit die keten drie aan drie afgelezen en tegelijk een eiwitketen gebouwd die uit de juiste volgorde van aminozuren bestaat. De aminozuren worden aan het ribosoom aangeleverd gebonden aan tRNA ( overdrachts-RNA). bron: Nicolas GuexKlik op de afbeelding voor een grotere versie.

Talloze andere spontaan geordende gereedschappen en machientjes kent de natuur nog. Jaloersmakende zelfassemblage. Geminiaturiseerde perfectie. In de atomaire en moleculaire wereld is de nanometer de norm: een afstand van een miljoenste millimeter, overeenkomend met ongeveer eenduizendste van een typische bacterie. Tien waterstofatomen passen op een rijtje in een nanometer, of vijf siliciumatomen. Atomair priegelwerk, dat lang buiten het bereik van het menselijk kunnen is gebleven. Nanotechnologie moet systemen kleiner dan honderd nanometer gaan vervaardigen en beheersen.

Toch zijn wetenschappers en technici inmiddels zo ver dat ze zelf nanomachinerie kunnen bouwen door moleculen spontaan aan elkaar te laten klitten tot complexe moleculaire bouwwerken. Een bottom-up-aanpak heet dat ook wel: met moleculen grotere meso- of macroscopische systemen bouwen. Grootschalige toepassingen zijn vooralsnog beperkt, maar wereldwijd hebben vele laboratoria al fundamentele nanobouwstenen gemaakt als nanomotortjes, nanoschakelaars en nanolagen met specifieke eigenschappen.

Geprogrammeerde bindingen

“Where nature finishes producing its own species, man begins, using natural things and with the help of this nature, to create an infinity of species”. Woorden van Leonardo da Vinci die zo kunnen slaan op zelfassemblage, een belangrijke onderzoekstak binnen de oprukkende nanotechnologie.

Zelfassemblage is de spontane groepering van moleculen op grond van de informatie die erin zit opgeslagen. De informatie bestaat uit de mogelijke bindingen die een molecuul kan aangaan. Bij zelfassemblage gaat het om niet-covalente bindingen, die zwakker zijn dan de covalente bindingen, waarbij twee atomen een elektronenpaar delen. Voorbeelden zijn zwakke krachten zoals waterstofbruggen (een binding tussen moleculen waarin waterstof is gebonden aan een sterk elektronegatief element, leidend tot een positieve lading op het waterstofatoom), zwakke coördinatieve krachten (een binding waarbij het bindingspaar ontstaat uit het vrije elektronenpaar van een donor die het paar deelt met een acceptor) en waterafstotende interacties.

Meestal gebeurt zelfassemblage in oplossingen of aan oppervlakken. ‘Zelf’ slaat op het feit dat je aan het systeem geen extra energie hoeft toe te voegen. Van de ontelbare mogelijkheden waarop een verzameling moleculen zichzelf in principe aan elkaar kan rijgen, vindt het systeem vanzelf één thermodynamisch gedefinieerd minimum.

“Moleculen die de evolutie niet heeft ontwikkeld of die verloren zijn gegaan, proberen wetenschappers te maken in de moderne chemie”, zegt David Reinhoudt, hoogleraar supramoleculaire chemie aan de Universiteit Twente. Hij is tevens voorzitter van Nanoned, de overkoepelende organisatie van al het Nederlandse nanotechonderzoek. Supramoleculaire chemie is chemie op een niveau hoger dan het enkele molecuul. De natuur bedrijft dit soort scheikunde met onder andere eiwitten en DNA. “In de nanotechnologie is supramoleculaire chemie de basistechnologie om grote moleculen te bouwen”, zegt Reinhoudt. “Het is hét middel bij uitstek als het gaat om de communicatie tussen moleculen. De mens heeft zelfassemblage opnieuw uitgevonden. We zijn daarbij niet langer beperkt tot bouwstenen van de natuur zoals aminozuren, suikers en de vier basenparen van DNA. We kunnen een veelvoud van moleculen maken en inzetten.”

Nederland neemt internationaal de toppositie in als het gaat om supramoleculaire chemie. Naast de Twentse groep van Reinhoudt, spelen de groepen van Bert Meijer aan de TU Eindhoven, de groep van Roeland Nolte aan de KU Nijmegen en de groep van Ben Feringa aan de Rijksuniversiteit Groningen een hoofdrol. Feringa en zijn groep waren in 1999 de eersten die een moleculaire motor bouwden: twee molecuulhelften die onder de invloed van uv-licht langzaam om elkaar heen draaien. Bij de zelfassemblage werkt hij intensief samen met de groep van professor De Schrijver van de KU Leuven.

Afkijken

“In zelfassemblage gebruiken we de principes uit de natuur, met name de niet-covalente interacties, maar het aantal synthetische bouwstenen dat wij kunnen gebruiken, is oneindig”, zegt ook Feringa. “We kunnen veel afkijken van de natuur. Neem de zelfassemblage van eiwitten. In principe is een eiwit een lange peptideketen die met covalente bindingen aan elkaar zit. De keten op zich is niet biologisch actief. Om uiteindelijk echter een eiwit met een specifieke functie en structuur te krijgen (bijvoorbeeld collageen, dat in bindweefsel voor stevigheid zorgt; een spiervezel of een enzym) moeten eiwitten zich vouwen of ontvouwen en bepaalde groepen gaan vormen zoals helices of sheets. Dat gebeurt allemaal via niet-covalente interacties.”

Bij het maken van nanobouwstenen als een nanomotor of een nanoschakelaar gebruiken chemici wel covalente bindingen. De route via niet-covalente bindingen is hier te ingewikkeld en te tijdrovend. Deze bouwstenen zijn daarom geen voorbeeld van zelfassemblage. Maar ze zijn vervolgens wel zodanig ‘geprogrammeerd’ dat ze in de volgende stap makkelijk met andere moleculen grotere assemblages vormen: de zelfassemblage.

Wetenschappers kunnen leren van de natuurlijke zelfassemblage, maar op een aantal fronten is de natuur ons te slim af. “De meest ingenieuze nanotech uit de natuur”, zegt Reinhoudt, “is hoe uit een stamcel een haarcel, een botcel, een levercel of een hersencel groeit. Dat is de échte nanotech in de natuur. Elke cel is individueel aanspreekbaar.” Daar kunnen onze nanosystemen bij lange na niet aan tippen. Feringa voegt eraan toe dat veel natuurlijke systemen te ingewikkeld zijn om goed na te bootsen. “Niemand is nog goed in staat om de vouwing van een eiwit na te bootsen.”

Nano-lichtmolenpark

Feringa werkt met zijn groep inmiddels aan een volgende mijlpaal voor zijn moleculaire motormoleculen: een nano-lichtmolenpark op een oppervlak: “Eerst hebben we de eerste generatie moleculaire motor al verbeterd door hem duizend maal zo snel te maken. We hebben er nu ook twee ‘pootjes’ aan gekoppeld en er chemische groepen aan bevestigd zodat het motortje op zichtbaar licht draait in plaats van op uv-licht. De nieuwe uitdaging is nu om de motortjes op een oppervlak van bijvoorbeeld goud of silicium te plaatsen. Of beter gezegd: de motortjes moeten zichzelf netjes geordend op een oppervlak bevestigen. Een moleculair-lichtmolenpark door spontane ordening dus. Bevestigen door zelfassemblage lukt al, maar om ze ook opnieuw te laten draaien is een moeilijk karwei. Er ontstaan ineens nieuwe molecuulinteracties die het draaien kunnen belemmeren. Daar moeten we dan weer een antwoord op verzinnen.”

De snelheid van het motortje veranderen de onderzoekers door er chemische groepen af te halen of juist eraan toe te voegen. Uiteindelijk moet het nano-lichtmolenparkje een bruikbare toepassing gaan worden die nano-eigenschappen gebruikt. “Welke functies precies, dat weten we zelf ook nog niet”, zegt Feringa. “Eerst moeten we maar eens aantonen dat we moleculaire motortjes werkend op een oppervlak kunnen krijgen. Vervolgens kunnen we onderzoeken hoe we dat geheel werk kunnen laten verrichten. In principe kan het lichtmolenparkje natuurlijk veel meer werk verrichten dan een enkel molentje. Ik kan me voorstellen dat we er ooit slimme oppervlakken en materialen van kunnen maken. In ieder geval is het project een mooi voorbeeld van de integratie van een fundamentele nanobouwsteen als een motortje met zelfassemblage op een oppervlak.”

Nanocontactprinting

Zelfassemblage in de nanotechnologie trekt ook niet ongemerkt voorbij aan de grote elektronicabedrijven. Zij werken in alle stilte aan nanocontactprinting, een methode om patronen op nanometerschaal op oppervlakken aan te brengen. Uitgangspunt is een soort polymeerstempel die in inkt wordt gedoopt. Die inkt bevat zwavelhoudende moleculen die zichzelf assembleren in een monomoleculaire laag wanneer ze op een goudoppervlak worden gestempeld. De goud-zwavelinteractie is heel stabiel. Meestal bestaat de basislaag bij het printen uit een siliciumwafer waarop een hechtlaagje van wolfraam of molybdeen wordt aangebracht. Daarbovenop komt vervolgens een twintig nanometer dik goudlaagje.

Omdat het stempel een soort poreus reservoir is, is het een wonder op zich dat de afdruk een monomoleculaire laag is. “Maar dat is nu juist een perfect voorbeeld van zelfassemblage”, zegt Reinhoudt. “Zwavel assembleert spontaan op het goud. We brengen een drupje oplossing op het goudlaagje, en dan klikken de moleculen met de zwavelkant vast aan het goud. Aan de zwavelatomen kunnen we allerlei functionele groepen met een specifieke gewenste functie hangen”, zegt de Twentse hoogleraar. “Vervolgens kunnen we op de nieuwe structuur elk willekeurig patroon etsen. Op die manier printen we allerlei schakelingen op nanoschaal zonder gebruik te maken van de klassieke etstechnieken met licht, die sowieso die nanoschaal niet kunnen halen.”

Dezelfde zelfassemblagetechniek bij lagen kan worden gebruikt om oppervlakken specifieke moleculen te laten herkennen. Handig voor nanosensoren. Of voor een moleculair printbord waarop allerlei andere functionele eenheden kunnen plakken. “We zijn nu nog niet erg goed in het schrijven van figuurtjes op zo’n moleculair printbord”, zegt Reinhoudt. “Maar zodra we dat goed onder de knie hebben, kunnen we er elektronische circuits mee schrijven, specifieke receptors maken of een laboratorium op een chip (lab-on-chip): een klein chemisch nanofabriekje met kanaaltjes, pompjes, vernauwingen en verbredingen waardoor chemische stofjes stromen en met elkaar reageren.”

Ook het Vlaamse Interuniversitair Micro-elektronicacentrum IMEC werkt aan een drietal projecten op het terrein van de zelfassemblage. Biosensoren gevormd door zelfgeassembleerde van organische functionele moleculen moeten in de toekomst specifieke moleculen herkennen. Organische halfgeleiderlagen vormen een tweede belangrijk project. Een derde project onderzoekt het groeien van hersencellen op chips om uiteindelijk hersengestuurde prothesen te ontwikkelen. De hersencellen moeten met een chip kunnen praten en omgekeerd.

Slimme displays

Het afgelopen jaar publiceerde de Groningse onderzoeksgroep een artikel over moleculaire motortjes die ze hadden gedoopt in een vloeibaar kristal: een mengsel van 3% motormolecuul en 97% vloeibaar kristal. Normaliter liggen de vloeibare-kristalmoleculen als een soort boomstammen naast elkaar. Door de introductie van een stof die zowel een linkshandige als een rechtshandige chemische vorm heeft, ordenen de moleculen zich in een helixstructuur. De lengte van een enkele helixwenteling bepaalt de reflectiegolflengte van het ingestraalde licht. Feringa’s idee is om die reflectiegolflengte nu te beïnvloeden met zijn motormoleculen.

Neem twee glasplaten met het vloeibare kristal ertussenin en voeg een klein beetje motormolecuul toe. Laat er zichtbaar licht op vallen en de nanomotortjes gaan draaien. Alle vloeibare-kristalmoleculen voelen dat en gaan zich anders oriënteren. De helix wordt langer of korter, en zo verandert de kleur. Feringa: “Je ziet gewoon met het blote oog de kleur langzaam veranderen. Een prachtig macroscopisch bewijs dat de moleculaire motortjes langzaam draaien!” Uiteindelijk denkt hij aan toepassingen van dit soort laagjes voor slimme displays.

Snel nieuwe technologieën

Wat heeft zelfassemblage voor ons in petto over vijftig jaar? Wetenschappers zijn geen futurologen. Reinhoudt vertelt hoe zijn collega’s en hij de inmiddels geluwde hype van zichzelf assemblerende en -vermenigvuldigende nanorobotjes die de wereldmacht bedreigen steeds met argwaan bekeken. “Eric Drexler, de voorman van die cult-ideeën, ging uit van het bouwen met atomen. Dat is echt onzin. Het tekent zijn onkunde dat hij niet aan moleculen heeft gedacht. Waar kom je nou losse atomen tegen? Atomen willen vrijwel altijd bij andere atomen gaan zitten. Drexler is passé. Aan de ene kant ben ik huiverig voor voorspellingen, maar aan de andere kant verwacht ik dat fundamentele doorbraken snel leiden tot nieuwe technologieën in materiaalkunde, elektronica, chemie en geneeskunde.”

Feringa trekt een vergelijking met de snelle ontwikkelingen in de elektronica. Ruim vijftig jaar geleden was de transistor nog maar net uitgevonden en precies vijf decennia geleden verscheen de eerste transistorradio. “Kijk eens welke elektronische apparaten tegenwoordig thuis staan. Zo snel kunnen ontwikkelingen dus gaan. Niemand die dat vijftig jaar geleden had voorspeld.” Moleculaire elektronica waarin componenten uit zichzelf met andere componenten nieuwe elektronische structuren vormen? Best mogelijk, denkt Feringa. Moleculaire machines die assemblage kunnen sturen? Ook zij kunnen een instrument uit de gereedschapskist van de zelfassemblage worden.

Zelfassemblage zal ongetwijfeld leiden tot nieuwe materialen zoals coatings, verf, gels en allerlei materialen met nieuwe optische en elektrische eigenschappen. “Maar neem onze zelfassemblerende motormoleculen. Voordat we die op een oppervlak ook nog nuttig werk kunnen laten doen, zijn we jaren, misschien wel decennia verder”, zegt Feringa. “We zijn nu voornamelijk bezig met het maken van de fundamentele bouwstenen en het blootleggen van de leidende principes van zelfassemblage.”

Bloedvat repareren

De geneeskunde is een ander belangrijk gebied waar nanotechnologie in het algemeen en zelfassemblage in het bijzonder belangrijke doorbraken kan leveren: nanocapsules die een geneesmiddel precies op de juiste plek afleveren in plaats van door het hele lichaam verspreiden, en nanosensors. En wellicht zelfs nanorobotjes die door de bloedbaan zwemmen. “Dat kan best”, zegt de Groningse hoogleraar, “maar ze zullen er waarschijnlijk wel anders uitzien dan we ons nu voorstellen. Een hot issue is ook een nanoshuttle die heel selectief iets aflevert, of bijvoorbeeld een molecuul op de ene plaats oppikt en ergens anders weer achterlaat. Of een nanomachientje dat ter plekke een kankercel aanvalt, een kapotte zenuw of een bloedvat repareert.”

“Nanotechnologie is voor mij een productietechnologie met als bonus gekwantificeerde eigenschappen”, zegt Reinhoudt. “Die eigenschappen zijn uitdrukkingen van de wetten van de kwantummechanica, die op nanoschaal regeert. Nanostructuren zijn kleiner dan de golflengte van licht of elektronen. Dat leidt tot nieuwe eigenschappen.” Hij verwacht dat in de nanotechnologie de tijd tussen de fundamentele ontdekking van een nieuwe eigenschap en de productie van een marktproduct veel korter zal zijn dan bijvoorbeeld bij de laser. “Daar zat dertig jaar tussen uitvinding en massaproductie in bijvoorbeeld discmans en barcodescanners. Wij kunnen echter geen gekwantificeerde eigenschappen ontdekken aan een macroscopisch systeem. Daarom moeten we eerst fundamentele nanobouwstenen maken en de benodigde technologieën verder perfectioneren. Daarna kunnen we pas nieuwe interessante macroscopische eigenschappen en nuttige systemen ontwikkelen. Het is net als in de bouw. Als je eenmaal materialen hebt zoals cement, steen, ijzer en hout, kun je vervolgens elk gewenst gebouw neerzetten.”

Literatuur

Arthur ten Wolde e.a., Nanotechnologie – Op weg naar een moleculaire bouwdoos. (Wetenschappelijke Bibliotheek, deel 63). Amsterdam: Natuur & Techniek, 2000

Meer over Bennie Mols:

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 mei 2003

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.