Moleculaire auto's zijn al langer bekend, maar wetenschappers van het Van 't Hoff Instituut voor Moleculaire Wetenschappen (HIMS) van de Universiteit van Amsterdam en de Universiteit van Murcia hebben nu moleculen gesynthetiseerd die werken als de pedalen van een fiets. Gevoed door licht, de moleculen kunnen worden gebruikt als moleculaire schakelaars die de weg vrijmaken voor het ontwerp van functionele moleculaire systemen die effectief zijn onder strenge ruimtelijke beperkingen.

Het onderzoek zal verschijnen in het komende gedrukte nummer van Internationale editie van Angewandte Chemie (verschijnt op 12 februari). De begeleidende afbeelding op de voorpagina benadrukt het belang van het werk.

Moleculen die door licht kunnen worden geschakeld om hun structuur te veranderen, zijn belangrijke bouwstenen voor fotoresponsieve moleculaire nanotechnologie. Een groot nadeel van veel momenteel beschikbare moleculaire schakelaars is dat ze een relatief groot vrij volume nodig hebben om te wisselen tussen hun twee structurele toestanden. Prototypische voorbeelden zijn moleculen waarin isomerisatie van een dubbele binding optreedt, zoals de rotormoleculen van Nobelprijswinnaar Ben Feringa. In veel praktische toepassingen, bijvoorbeeld in katalyse, medicijnafgifte of moleculaire computers, er is simpelweg niet genoeg ruimte voor dergelijke grootschalige bewegingen. Het vinden van nieuwe chemische motieven die het schakelen mogelijk maken met alleen het absolute minimum aan volume, is daarom van groot belang voor dit snel opkomende veld.

Onlangs, Prof. Jose Berna van de Universiteit van Murcia heeft een nieuwe klasse van op azodicarboxamide gebaseerde moleculaire schakelaars voorgesteld. Deze zijn afgeleid van een wijziging van de azo-eenheid in azobenzeen - een van de meest gebruikte componenten in 'lichtschakelbare' materialen. Omdat de nieuwe systemen – in tegenstelling tot azobenzenen – niet meer vlak zijn, er werd verwacht dat ze verschillende soorten beweging zouden vertonen bij bestraling met licht. Tot nu, echter, studies van de daadwerkelijke beweging die plaatsvindt, bleef buiten bereik.

Om de exacte werking van de op azodicarboxamide gebaseerde moleculaire schakelaars te onderzoeken, Dr. Saeed Amirjalayer van de Universiteit van Amsterdam ging hun trillingsfrequenties meten met behulp van extreem korte pulsen van infrarood licht (met een duur van minder dan een biljoenste van een seconde). Deze frequenties zijn een vingerafdruk van de moleculaire structuur en bieden zo een direct middel om precies vast te stellen hoe het molecuul van structuur verandert nadat het door licht is geactiveerd.

Deze schakelaars bleken inderdaad een schakelmechanisme te vertonen dat totaal anders is dan de standaard schakelaars. Waar deze laatste grootschalige rotatie rond één binding vertonen, de nieuwe moleculen werken als de trapas en pedalen van een fiets. Zij doen niet, echter, een volledige rotatie uitvoeren, maar heen en weer bewegen. Met behulp van geavanceerde kwantumchemische berekeningen werd vastgesteld dat de moleculen vlak worden door lichtabsorptie en terugdraaien als ze terugkeren naar hun grondtoestand.

Het opvallende kenmerk van de pedaalbeweging is dat deze gepaard gaat met minimale verplaatsingen van de betrokken atomen. Het molecuul blijft dus min of meer gefixeerd in de ruimte en heeft slechts een minimaal schakelvolume nodig. Dit biedt kansen voor toepassingen waar beweging op moleculair niveau sterk beperkt is, zoals in vaste toestand, op oppervlakken, of bij inbedding in polymeren.