Moleculaire motor zet water in beweging

Het is een grote uitdaging in de nanotechnologie: moleculaire motoren nuttig werk laten verrichten. Een Gronings onderzoeksteam gaf onlangs een mooie demonstratie. Ze lieten een waterdruppel, liggend op een oppervlak bezaaid met moleculaire motoren, van vorm veranderen door blootstelling aan licht.

26 februari 2014

Motortjes van slecht één molecuul groot. Ze mogen dan piepklein zijn maar ze hebben grote toepassingen als toekomstige nanomachines en -sensoren.

Vooralsnog is het moeilijk om zo’n nanomotor ook daadwerkelijk een nuttige klus te laten uitvoeren. Onder andere omdat de moleculen van zichzelf een onregelmatige beweging vertonen en in alle richtingen wegschieten. Maar door de motoren vast te zetten aan een oppervlak wordt het al iets makkelijker om ze te gebruiken.

Chemicus Ben Feringa van de Rijksuniversiteit Groningen en zijn collega’s ontwierpen moleculaire motoren waarmee ze waterdruppels op een gouden oppervlak van vorm konden laten veranderen. Van plat naar bol en weer terug. Dat maakte het oppervlak van het stukje goud afwisselend wateraantrekkend en -afstotend. De resultaten stonden deze maand in het vakblad Journal of the American Chemical Society.

In de knel

Het ontwerp is gebaseerd op de door licht aangedreven moleculaire motor die het team eerder al maakte. Onder invloed van licht gaat één deel van het molecuul ronddraaien op een propellorachtige manier.

Voorheen was het moeilijk voor de motoren om rond te draaien op een oppervlak doordat ze te dicht op elkaar gepakt zaten. De ronddraaiende delen kwamen met elkaar in de knel. Bovendien verstoorden de elektronische wisselwerking van de motor met het gouden oppervlak de roterende werking ook.

Driepoot

De Groningers bedachten een oplossing. Ze gaven hun motors lange ankers in de vorm van een driepoot (zie figuur hiernaast) die diende als verlengstuk tussen de motor en het oppervlak. Op die manier houdt de driepoot het roterende deel van de motor op afstand van het gouden oppervlak en van de omringende motoren.

De aanpassing waarmee de motor de eigenschappen van het oppervlak kon veranderen zit hem echter in een hydrofobe groep die het team op het roterende deel zette. Afhankelijk van de stand van de moleculaire motor draait die groep zich naar zijn omgeving toe of verstopt hij zich juist voor zijn omgeving.

Waterdruppels bevochtigen een oppervlak beter als de motor zijn watervrezende groep verstopt (links). Als de watervrezende groep tevoorschijn komt is er minder contact tussen het oppervlak en de druppel (rechts).
© ACS

Bolle waterdruppel

Feringa en zijn team testten hun met moleculaire motors verrijkte gouden oppervlak door een waterdruppel op het goud te leggen. Ze beschenen het materiaal met UV-licht en volgde wat er gebeurde met de vorm van de waterdruppel. In de stand van de motor waarbij de hydrofobe groep verstopt was maakte de druppel contact met het oppervlak onder een hoek van 60 graden. Het oppervlak wilde in deze situatie graag contact maken met het water. Het gevolg was een platte druppel die als het ware over het oppervlak was uitgesmeerd.

De waterafstotendheid van het oppervlak verandert met het omklappen van de moleculaire motor.
© ACS

Maar toen ze de motor onder invloed van licht omklapten, en de hydrofobe groep tevoorschijn kwam, groeide die hoek naar 82 graden: in deze situatie willen de motoren op het oppervlak niks te maken hebben met de druppel. Met als resultaat een bollere waterdruppel die zo min mogelijk contact maakt met het goud. Beschijning van de moleculaire motoren maakte het goud dus afwisselend wateraantrekkend en waterafstotend.

Vaatjes

De waterdruppels zijn geschikt als vaatjes om chemische experimenten in te doen, zei Feringa in het online magazine Chemistry World. Maar daar blijft het niet bij. Volgens hem is het kunnen bewegen van water ook nuttig voor het maken van moleculaire sensoren. Feringa: “Je kan je druppels voorstellen gevuld met chemische stoffen die bewegen en samensmelten op jouw commando.”

Bron:

Kuang-Yen Chen e.a., Control of Surface Wettability Using Tripodal Light-Activated Molecular Motors, Journal of the American Chemical Society, online publicatie op 3 februari 2014. DOI: 10.1021/ja412110t
Andy Extance, Molecular motors aim to pass water, Chemistry World. Online publicatie op 24 februari 2014.

Reageer