Nederlandse hoogleraar Ben Feringa krijgt Nobelprijs voor de Chemie 2016

De Nobelprijs voor de Chemie 2016 gaat naar een Franse, een Britse en een Nederlandse chemicus. Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart en Ben Feringa hebben laten zien hoe je ‘s werelds kleinste machines kunt maken.

5 oktober 2016

Grote drukte bij de werkkamer van Ben Feringa (rechts), die net heeft gehoord dat hij de Nobelprijs voor de Chemie 2016 krijgt.
Rijksuniversiteit Groningen

Wat een dag voor chemisch Nederland. Of eigenlijk voor iedereen die de Nederlandse wetenschap een warm hart toedraagt. Ben Feringa, hoogleraar Organische Chemie aan de Rijksuniversiteit Groningen krijgt de Nobelprijs voor chemie 2016, samen met Jean-Pierre Sauvage van de Universiteit van Straatsburg en Sir J. Fraser Stoddart van Northwestern University in Evanston (VS). De drie chemici hebben ieder baanbrekend werk verricht op het terrein van moleculaire machines: machines van slechts enkele nanometers groot (een nanometer is een miljardste meter) die gerichte bewegingen en functies kunnen uitvoeren.

De Nobelprijs voor scheikunde 2016 gaat naar Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart en de Nederlander Ben Feringa voor hun werk aan moleculaire machines.
Nobel media 2016

Tijdens de bekendmaking van de winnaars eerder vandaag bleek duidelijk dat het Nobelprijscomité het werk van Sauvage, Stoddart en Feringa in de eerste plaats heel cool vindt. Want ze hebben al moleculaire schakelaars, liften, spieren, motoren en auto’s gemaakt. Over mogelijke toepassingen was men helder: die zijn er nu nog niet en dat gaat ook nog wel even duren. Maar laat je fantasie de vrije loop en je kunt de meest fantastische dingen bedenken, aldus het comité. Dat was de teneur van de presentatie, die daarmee een duidelijke waardering voor fundamenteel onderzoek uitstraalde.

Hier draait het allemaal om: daadwerkelijk bewegende moleculaire machines zoals deze nanomotor ontwikkeld door Ben Feringa. Credits: Francis Villatoro o.b.v. Electrically driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surface authored by Tibor Kudernac, Nopporn Ruangsupapichat, Manfred Parschau, Beatriz Maciá, Nathalie Katsonis, Syuzanna R. Harutyunyan, Karl-Heinz Ernst & Ben L. Feringa, published in Nature 479: 208—211

Meteen na de bekendmaking had het Nobelcomité telefonisch contact met Ben Feringa die aangaf ongelooflijk verbaasd, vereerd en ook emotioneel te zijn toen hij een uur daarvoor te horen kreeg dat hij was uitverkoren. Op de vraag van een journalist over wat hij dacht toen hij voor het eerst zijn moleculaire motor zag, zei Feringa: “Ik kon het bijna niet geloven dat het molecuul echt bewoog.” Gevraagd naar het nut van dergelijke minuscule machines vergeleek Feringa zichzelf met de gebroeders Wright. “Toen zij een werkend vliegtuig hadden gebouwd, vroeg iedereen zich af waar dat goed voor was. En nu hebben we enorme Boeings. De praktische toepassing van moleculaire machines is echt nog ver weg, maar in de toekomst zullen we ongetwijfeld slimme materialen gaan maken of _drug delivery_-systemen op basis van moleculaire machines.”

Schakels in een ketting

Er werd al geruime tijd gefantaseerd over en geëxperimenteerd met het maken van moleculen die op een of andere manier arbeid konden verrichten. Maar dat had nog niets bruikbaars opgeleverd. De eerste serieuze stap werd gezet begin jaren tachtig door Jean-Pierre Sauvage (1944) met de synthese van een compleet nieuw type molecuul dat het meest lijkt op twee schakels in een ketting. Twee ringen die in elkaar vallen, maar afzonderlijk van elkaar kunnen draaien en bewegen. De ringvormige moleculen zitten niet met klassieke chemische bindingen aan elkaar vast, maar via een ‘mechanische binding’. Een essentiële stap in het maken van een machine, want ook daarin kunnen onderdelen onafhankelijk van elkaar bewegen.

Sauvage haalde zijn inspiratie uit zijn onderzoek aan chemische complexen die energie uit zonlicht kunnen omzetten. Deze complexen leken sprekend op de schakels in een ketting en werden bijeengehouden door een ‘gewoon’ koper-ion. Dat bracht Sauvage en zijn team op een – naar later zou blijken – briljant idee. Ze maakten een ringvormig molecuul en een halve ring, die beide werden aangetrokken door het koper-ion. Doordat het koper-ion de twee delen op hun plek hield, konden ze in de tweede reactiestap de halve ring koppelen aan de andere helft, zodat een nieuwe ring ontstond die door de andere heen zat. Het koper-ion konden ze nu weghalen, zonder het geheel te verstoren. De eerste schakel van de moleculaire ketting was een feit. Sauvage noemde deze moleculen catenanen, naar catena, Latijn voor ketting.

Het principe achter de synthese van catenanen zoals ontwikkeld door Jean-Pierre Sauvage. Het koper-ion (groen bolletje) stabiliseert de hele en halve ring, zodat in de tweede stap de tweede ring voltooid kan worden. Het resultaat is een schakel: twee in elkaar geschoven ringen die onafhankelijk van elkaar kunnen bewegen.
John Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Dat leidde tot een hele stroom aan intrigerende complexen waarin ringen op allerlei ingenieuze manieren aan elkaar werden gekoppeld. Van lange kettingen tot ingewikkelde knopen: de catenanen maakten compleet nieuwe structuren mogelijk. Maar een mooi molecuul is nog geen werkende machine. Daarvoor moet een molecuul een gerichte beweging kunnen uitvoeren. Die doorbraak kwam in 1994, toen Sauvage erin slaagde om een van de twee ringen onder invloed van licht (de energiebron) rond de andere te laten draaien.

Schuiven over een as

De tweede belangrijke doorbraak op weg naar moleculaire machines leverde Sir J. Fraser Stoddart (1942). Zijn groep maakte in 1991 een lang staafvormig molecuul met daarop twee plekken die rijk zijn aan elektronen (relatief negatief geladen). Ze maakten ook een open ringvormig molecuul dat juist elektronarme delen (relatief positief geladen) bevatte. De ring vouwde zich rond de staaf, zonder er chemisch aan te binden. In een twee stap sloten Stoddart c.s. de ring, waardoor deze rond de ‘as’ bleef zitten. Ze noemden dit nieuwe molecuul een rotaxaan.

De rotaxanen van Fraser Stoddart. Eenmaal om de as ‘geklikt’ kan de ring heen-en-weer springen tussen de relatief positief geladen delen op de as.
John Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Wat ze zagen was de ring onder invloed van de temperatuur vrij heen-en-weer kon bewegen tussen de twee elektronrijke delen op de as. Na veel experimenteren lukte het Stoddart en collega’s in 1994 om dit proces volledig te controleren. Moleculaire beweging was hiermee niet langer een willekeurig proces, maar iets dat chemici konden sturen.

Liften en spieren

Net zoals toen Sauvage zijn catenanen had gepubliceerd, leidde Stoddarts synthese van de rotaxanen tot fantastische moleculaire creaties. Uit Stoddarts lab kwam bijvoorbeeld een moleculaire lift die zichzelf 0,7 nanometer kan ‘optillen’ en een soort ‘spier’ van rotaxanen die een heel dunne goudlaag kon buigen. Het idee van een moleculaire spier was ook door Sauvage opgepakt en hij maakte een complex waarin twee rotaxanen door elkaar zijn ‘geregen’, waardoor de ring van de een om de as van de ander kan schuiven. Dit levert een systeem op dat zich kan samentrekken en uitrekken, net zoals een spier dat kan.

Al deze systemen konden gecontroleerd bewegen en arbeid verrichten, maar wat nog ontbrak was een heuse motor. Een systeem dat consequent in een richting kan bewegen om op die manier verplaatsing aan te drijven. Daar werd driftig aan gewerkt, maar het bleek lastig om een molecuul te maken dat slechts in een richting draait. Uiteindelijk was het Ben Feringa (1951) die in 1999 als eerste met een moleculaire motor op de proppen kwam.

De eerste motor

Over de moleculaire motoren van Feringa heeft NEMO Kennislink al meerdere malen geschreven. Zijn eerste moleculaire motor bestond uit twee platte delen (‘schoepen’, ‘peddels’ of ‘propellerbladen’) die door een dubbele koolstofbinding zijn verbonden. Deze binding fungeert als de as waar de schoepen omheen kunnen draaien. De truc zit ‘m erin dat er maar één draairichting mogelijk is. Zodra er UV-straling op het molecuul valt, verandert er iets in de structuur, waardoor een van de schoepen ‘omklapt’. Dat veroorzaakt spanning in het molecuul. Die spanning dwingt de schoepen over elkaar te schuiven, maar dan kunnen ze niet meer terug. Zodra er weer UV-straling op het molecuul valt, draait de ene schoep weer door in dezelfde richting en begint de cyclus opnieuw. Zolang er UV-straling is (de brandstof van de motor), zal de ene schoep blijven draaien. Steeds in dezelfde richting. En dan mag je spreken van een heuse motor.

De moleculaire motor van Ben Feringa. De zwarte schoep beweegt onder invloed van UV-straling, maar slechts in één richting. Doordat terugdraaien niet mogelijk is, zal deze motor in dezelfde richting blijven bewegen zolang deze door de UV-straling wordt aangedreven.
John Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Daar bleef het uiteraard niet bij. Net als bij de catenanen en de rotaxanen vormde deze moleculaire motor een bron van inspiratie voor chemici wereldwijd om compleet nieuwe moleculen te gaan maken. Vanzelfsprekend gingen Feringa en collega’s volop verder met hun motor. Ze maakten onder meer een wagentje, door vier motoren aan een soort chassis te koppelen. Door te zorgen dat de vier in dezelfde richting draaien ontstond ‘s werelds eerste moleculaire four wheel drive.

Animatie van de moleculaire 4 wheel drive. Credits: Francis Villatoro o.b.v. “Electrically driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surface,” authored by Tibor Kudernac, Nopporn Ruangsupapichat, Manfred Parschau, Beatriz Maciá, Nathalie Katsonis, Syuzanna R. Harutyunyan, Karl-Heinz Ernst & Ben L. Feringa, published in Nature 479: 208—211, 10 November 2011.

Om te laten zien dat de motor in staat was tot een serieuze krachtsinspanning, brachten ze de motoren in een vloeibaar kristal. Slechts een procent van het vloeibare kristal bestond uit de motoren, maar toch wisten ze de structuur van het geheel te veranderen door hun draaiende beweging. Vervolgens plaatsten ze een glazen staafje van 28 micrometer (nog steeds heel klein, maar wel ruim 10,000 keer groter dan de moleculaire motortjes) op het vloeibare kristal. En ook dat staafje kregen ze in beweging. Een beweging op nanoschaal die leidt een effect op een lengteschaal die vele malen groter is. Dat prikkelt de fantasie nogal.

Het werk van Sauvage, Stoddart en Feringa heeft volgens het Nobelcomité een geheel nieuw arsenaal aan chemische mogelijkheden geopend, waarmee onderzoekers wereldwijd aan de slag zijn gegaan. Dat heeft tal van aansprekende nieuwe moleculaire machines opgeleverd, waaronder een moleculaire robot die aminozuren kan oppakken en aan elkaar kan koppelen. Waar de moleculaire machines toe zullen leiden kan niemand nu al overzien, maar dat het van grote waarde is, dat staat voor het Nobelcomité vast.

Nederlandse Nobelprijswinnaars

Dit jaar gaat de Nobelprijs voor scheikunde onder andere naar de Nederlandse onderzoeker Ben Feringa. De laatste keer dat een Nederlander een Nobelprijs won, was in 2010. Toen ging de Nobelprijs voor natuurkunde onder andere naar Andre Geim voor ‘baanbrekende experimenten met betrekking tot het tweedimensionale materiaal grafeen’. De andere Nobelprijswinnaar natuurkunde was Russisch-Britse natuurkundige Konstantin Novoselov. De eerste keer dat een Nederlander in de prijzen viel was in 1901, met Jacobus Henricus van ‘t Hoff voor ‘zijn ontdekking van de wetten van chemische evenwichten en osmotische waarde in oplossingen’. In totaal hebben 19 Nederlanders een Nobelprijs in ontvangst mogen nemen.