Dankzij een slim chemisch ontwerp, onderzoekers van het Van 't Hoff Instituut voor Moleculaire Wetenschappen (HIMS) van de Universiteit van Amsterdam zijn erin geslaagd een zeer snelle moleculaire machine te maken. De bewegende delen verschuiven meer dan één nanometer ten opzichte van elkaar in een recordtijd van 30 miljardste van een seconde. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

De moleculaire machine is een rotaxaan, een moleculaire structuur met een ringvormig molecuul rond een langwerpig draadvormig molecuul. De ring kan van de ene kant van de draad naar de andere gaan, net als een shuttlebus.

De Amsterdamse onderzoekers bereikten hun recordsnelheid dankzij een nieuw moleculair ontwerp waardoor één kant van de draad de shuttle ernaartoe kan trekken, als het ware. In aanvulling, ze gebruikten een heel nieuw concept om de beweging op gang te brengen, een fotochemische zuur-basereactie.

Beweging regelen met licht

De HIMS Molecular Photonics Group werkt al geruime tijd aan op rotaxaan gebaseerde moleculaire motoren waarvan de beweging door licht kan worden gestuurd. In het geval van de eenvoudigste rotaxanen, de glijring heeft geen voorkeursrichting, dus het beweegt willekeurig over de draad. In meer geavanceerde variëteiten, de draad bevat moleculaire "stations" die een voorkeur van de ring introduceren voor bepaalde locaties op de draad. Door deze stations chemisch te veranderen met behulp van licht, hun aantrekkingskracht op de ring afstemmen, het is mogelijk om de ring van het ene station naar het andere te laten bewegen. Op deze manier, een lichtflits van de juiste kleur kan beweging sturen op een nanometer-lengteschaal.

Dit principe is met succes toegepast door de Amsterdamse groep en elders (bijvoorbeeld de onderzoeksgroepen van Nobelprijswinnaars Fraser Stoddart, Jean-Pierre Sauvage en Ben Feringa). Momenteel, het onderzoeksgebied van moleculaire machines staat nog in de kinderschoenen, maar mogelijke toekomstige toepassingen van dergelijke schakelbare moleculaire motoren zijn, bijvoorbeeld, moleculaire computers.

Het enige probleem met het mechanisme is de reistijd. Als de ring op een bepaald station is, en een ander station wordt aantrekkelijker gemaakt door middel van licht, je hoeft alleen maar te wachten tot de ring spontaan zijn startstation verlaat, en belandt dan bij het sterkere bindstation door een willekeurige wandeling over de draad. Als de draad lang is, dit proces kan lang duren.

harpoen mechanisme

Fred Brouwer en zijn Ph.D. student Tatu Kumpulainen bedacht een oplossing:ze ontwierpen een moleculaire machine waarbij het eindstation zo'n sterke aantrekkingskracht op de ring heeft dat het de draad vervormt waardoor het station de ring kan grijpen, en sleep hem dan over de draad naar zijn eindbestemming (zie afbeelding). Met dit zogenaamde harpoenmechanisme konden ze een moleculaire shuttle maken met een recordsnelheid. De moleculen zijn gemaakt door een meester in de organische chemie:Bert Bakker. Hij is al geruime tijd met pensioen, maar geniet nog steeds van zijn laboratoriumwerk.

Om de snelheid van de moleculaire shuttle te meten, Brouwer en Kumpulainen werkten samen met collega's Matthijs Panman en Sander Woutersen. Ze gebruikten een korte puls van ultraviolet licht om beweging van de ring te veroorzaken, en dan een tweede puls van infrarood licht om zijn beweging te volgen. De gemeten recordtijd was 30 nanoseconden voor een afgelegde afstand van één nanometer. Dit betekent een gemiddelde snelheid van 3 cm per seconde. Dat lijkt misschien traag, maar het is 4000 keer sneller dan het snelste biologische motoreiwit (myosine, die de samentrekking van onze spieren veroorzaakt). Een van de uitdagingen voor de toekomst is om de kleine kunstmatige motormoleculen samen te laten werken, net als de motoreiwitten in onze spieren.