Duitse wetenschappers van de Technische Universitaet Muenchen zijn erin geslaagd om de zelfassemblage van staafvormige moleculen in rotoren van slechts enkele nanometers groot te leiden. De kleine systemen dienen voor de studie van krachten die inwerken op moleculen op oppervlakken en in kooiachtige structuren. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het huidige online nummer van de Proceedings van de National Academy of Sciences .

In de nanowereld zijn veel dingen anders. Wetenschappers zijn pas onlangs begonnen met het onthullen en benutten van de onderliggende wetten en principes. Een team van professor Johannes Barth van de afdeling Natuurkunde van de TU Muenchen is er nu in geslaagd om staafvormige moleculen in een tweedimensionaal netwerk te vangen, zodanig dat ze autonoom kleine rotoren vormen die in hun honingraatachtige kooien draaien.

De natuur zelf levert het rolmodel voor dergelijke zelforganiserende systemen. Dit is hoe eiwitten reactanten zo dicht bij elkaar brengen dat reacties kunnen plaatsvinden - reacties die alleen in zeer dichte nabijheid mogelijk zijn. Deze effecten worden toegepast in katalysatoren:oppervlaktereactanten vinden hun weg naar elkaar op het oppervlak van deze katalysatoren. Echter, de felbegeerde droom om zelforganisatie-effecten zo te gebruiken dat nanomachines zichzelf assembleren, behoort nog tot de toekomst.

De in Garching ontwikkelde rotoren zijn een belangrijke stap in deze richting. Eerst, de natuurkundigen bouwden een uitgebreid nanorooster op door kobaltatomen en staafvormige moleculen van sexifenyl-dicarbonitril met elkaar te laten reageren op een zilveren oppervlak. Dit resulteert in een honingraatachtig rooster van extreme regelmaat met verbazingwekkende stabiliteit. Net als grafeen, waarvoor de ontdekkers ervan slechts enkele weken geleden de Nobelprijs kregen, dit rooster is precies één atoom dik.

Toen de onderzoekers nog meer moleculaire bouwstenen toevoegden, de staven kwamen spontaan bijeen, meestal in groepjes van drie, in een honingraatcel terwijl aangrenzende cellen leeg bleven. De chummy moleculen moeten een reden hebben gehad om zich in trio's te organiseren. Onder een scanning tunneling microscoop konden de wetenschappers herkennen waarom. De drie moleculen oriënteerden zich zodanig dat de stikstofuiteinden elk tegenover een fenylring-waterstofatoom stonden. Deze driebladige rotoropstelling is zo energetisch voordelig dat de moleculen deze structuur behouden, zelfs wanneer thermische energie deze tot rotatie drijft.

Omdat de honingraatcel niet rond is, maar zeshoekig, er zijn twee verschillende posities voor de rotoren die kunnen worden onderscheiden als gevolg van de interacties tussen de buitenste stikstofatomen en de waterstofatomen van de celwand. Verder, de drie moleculen schikken met de klok mee en tegen de klok in. In experimenten bij verschillende zorgvuldig gecontroleerde temperaturen waren de natuurkundigen in staat om alle vier de toestanden te "bevriezen" en ze nauwkeurig te onderzoeken. Ze konden dus de energie van deze drempels bepalen uit de temperatuur waarbij de rotatie hervatte.

"We hopen dat we in de toekomst deze eenvoudige mechanische modellen kunnen uitbreiden naar optische of elektronische schakelingen, " zegt professor Johannes Barth. "We kunnen een specifieke celgrootte instellen, we kunnen gericht andere moleculen binnenhalen en hun interactie met het oppervlak en de celwand bestuderen. Deze zelforganiserende structuren hebben een enorm potentieel."