Een innovatieve meetmethode werd gebruikt bij het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen in Warschau voor het schatten van het vermogen dat wordt gegenereerd door motoren van één molecuul groot, slechts enkele tientallen atomen bevat. De bevindingen van het onderzoek zijn van cruciaal belang voor de constructie van toekomstige nanometermachines - en wekken geen optimisme op.

Nanomachines zijn apparaten van de toekomst. Bestaat uit een zeer klein aantal atomen, ze zouden in het bereik van miljardste delen van een meter groot zijn. De bouw van efficiënte nanomachines zou hoogstwaarschijnlijk leiden tot een nieuwe beschavingsrevolutie. Daarom kijken onderzoekers over de hele wereld naar verschillende moleculen die proberen ze mechanisch te laten werken.

Onderzoekers van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen (IPC PAS) in Warschau waren een van de eersten die de efficiëntie hebben gemeten van moleculaire machines die uit enkele tientallen atomen bestaan. "Alles wijst op de overtuiging dat de kracht van motoren die zijn samengesteld uit enkele, relatief kleine moleculen is aanzienlijk minder dan verwacht", zegt Dr. Andrzej ?ywoci?ski van de IPC PAS, een van de co-auteurs van het artikel gepubliceerd in de nanoschaal logboek.

Moleculaire motoren bestudeerd aan de IPC PAS zijn moleculen van smectische C*-type vloeibare kristallen, samengesteld uit enkele tientallen atomen (elk molecuul is 2,8 nanometer lang). Na afzetting op het wateroppervlak, de moleculen, onder passende voorwaarden, spontaan de dunst mogelijke laag vormen - een monomoleculaire laag met specifieke structuur en eigenschappen. Elk vloeibaar-kristalmolecuul is samengesteld uit een ketting waarvan het hydrofiele uiteinde verankerd is aan het wateroppervlak. Een relatief lange, gekanteld hydrofoob deel steekt uit over het oppervlak. Dus, monomoleculaire laag lijkt op een bos met bomen die onder een bepaalde hoek groeien. De vrije terminal van elke keten bevat twee kruislings gerangschikte groepen atomen met verschillende groottes, het vormen van een tweebladige propeller met bladen van verschillende lengtes. Bij het verdampen van watermoleculen raken de "propellers", de hele ketting begint door asymmetrie rond zijn "anker" te draaien.

Specifieke eigenschappen van vloeibare kristallen en de omstandigheden van het experiment geven aanleiding tot een in-fase beweging van aangrenzende moleculen in de monolaag. Er wordt geschat dat "gebieden van het bos" van maximaal een biljoen (10^12) moleculen, het vormen van gebieden van millimetergrootte op het wateroppervlak, kunnen hun rotaties synchroniseren. "Bovendien, de moleculen die we bestudeerden roteerden heel langzaam. Eén omwenteling kan enkele seconden tot enkele minuten duren. Dit is een zeer gewilde woning. Zouden de moleculen draaien met, bijvoorbeeld, megahertz-frequenties, hun energie kon nauwelijks worden overgedragen op grotere objecten", legt Dr ?ywoci?ski uit.

Eerdere vermogensschattingen voor moleculaire nanomotoren waren gerelateerd aan veel grotere moleculen, of aan motoren aangedreven door chemische reacties. In aanvulling, deze schattingen hielden geen rekening met de weerstand van het medium waar de moleculen werkten.

Vrij, collectieve rotaties van vloeibare kristalmoleculen op het wateroppervlak kunnen gemakkelijk worden waargenomen en gemeten. Onderzoekers van het IPC PAS gingen na hoe de rotatiesnelheid verandert als functie van de temperatuur; ze schatten ook veranderingen in (rotatie)viscositeit in het bestudeerde systeem. Het bleek dat de energie van de beweging van één molecuul die tijdens één omwenteling wordt gegenereerd, erg laag is:slechts 3,5·10^-28 joule. Deze waarde is maar liefst tien miljoen keer lager dan de thermische bewegingsenergie.

"Onze metingen zijn een emmer koud water voor ontwerpers van moleculaire nanomachines", merkt prof. Robert Ho?yst (IPC PAS) op.

Ondanks dat er weinig stroom wordt opgewekt, roterende vloeibare kristalmoleculen kunnen praktische toepassingen vinden. Dit komt door het feit dat een groot ensemble van collectief roterende moleculen een overeenkomstig hoger vermogen genereert. Bovendien, een enkele vierkante centimeter van het wateroppervlak kan veel van dergelijke ensembles herbergen met elk triljoenen moleculen.

Hetzelfde onderzoek bij de IPC PAS omvatte ook een vergelijking van het vermogen dat wordt gegenereerd door roterende moleculen van vloeibare kristallen met het vermogen van een enkele biologische motor - een zeer groot molecuul dat bekend staat als adenosinetrifosfatase (ATPase). Het enzym speelt een rol als natrium-kaliumpomp in dierlijke cellen. Met de juiste berekeningen werd geschat dat de dichtheid van de opgewekte energie in een volume-eenheid ongeveer 100 was, 000 keer hoger voor ATPase dan voor roterende vloeibare kristallen.

"Het kostte de evolutie miljoenen jaren om zo'n efficiënte moleculaire pomp te ontwikkelen. Wij, mensen, werken al een paar of misschien tien jaar met moleculaire machines", merkt prof. Ho?yst op en voegt eraan toe:"Geef ons even de tijd".