Motor uit de reageerbuis

Groningse chemici hebben een molecuul gemaakt dat zich als een motortje gedraagt wanneer er licht op valt. Dat ontbrak nog in de gereedschapskist van de nanotechnologie, de materiaalkunde van de toekomst....

IN HET LAB van de vakgroep Organische Chemie in Groningen, gevestigd in een verre buitenwijk van de stad, is het precies zoals de leek zich dat voorstelt. Zuurkasten staan er vol potjes en flesjes met onbegrijpelijke chemische formules op de etiketten, destillatiezuilen druppen, analyse-apparatuur zoemt. Een kolfje met een beetje heldere vloeistof draait ergens aan het uiteinde van een ingewikkelde achtbaan van glazen buizen en kolommen.

Ziehier, gebaart prof. dr. Ben Feringa, de plek waar ze gemaakt worden: complexe organische moleculen op maat die kunnen dienen als onzichtbaar kleine schakelaartjes. Of, zoals hij met Nederlandse en Japanse collega's als eerste beschreef in het tijdschrift Nature van 9 september, een molecuul dat zich onder invloed van licht gedraagt als een soort propellor of motortje.

Geamuseerd heeft de gedreven, immer opgetogen groepsleider zich de publiciteit laten welgevallen die die primeur kennelijk waard was.

Zo vaak zijn natuurwetenschappen immers geen echt nieuws, noch is wetenschap dikwijls ook voor buitenstaanders spannend. Kranten tot in Brazilië heeft hij aan de lijn gehad, televisieploegen. En een glossy uit Brussel: of zijn motortjes binnenkort medicijnen door onze bloedbaan gaan dirigeren? Leek ze belangrijk om te melden.

Feringa, haastig: 'Zover is het dus absoluut nog niet. Wij hebben nu aangetoond dat je een molecuul kunt maken waarvan een deel een volledig ronddraaiende beweging uitvoert in maar één richting. Dat is het principe van een motor. Vooralsnog weet echter niemand of zo'n molecuul ook werkelijk iets kan aandrijven of voortstuwen.'

Toch zou Feringa's motortje wel eens een doorbraak kunnen betekenen voor een opvallend nieuw vakgebied dat de laatste jaren ergens tussen de natuurkunde, de moleculaire biologie en de scheikunde is opgebloeid: de nanotechnologie. Daarin wordt gezocht naar technieken om op nanometerschaal - miljoensten millimeters - nuttige structuren en machientjes atoom voor atoom op te bouwen.

Grove moleculaire draaihekken, spoeltjes, hendels, tandwieltjes werden op die manier al eerder gerealiseerd. Maar een echte aandrijving ontbrak, terwijl biochemici toch allang weten dat Moeder Natuur daar haar hand niet voor omdraait. 'Alleen heeft zij wat meer tijd gehad om uit te zoeken hoe het precies moet', grapt Feringa.

Het verhaal van de eerste moleculaire motor uit de Groninger reageerbuis begon tien jaar geleden met onderzoek door onder anderen Feringa zelf naar moleculaire schakelaars. Hij bestudeerde zogeheten chirale stoffen: koolwaterstof-verbindingen die in twee varianten voorkomen. Die twee zijn exact elkaars spiegelbeeld. Vooral verbindingen die met licht zijn om te zetten van de ene vorm in de andere, leken en lijken veelbelovend als basisschakelaar voor digitale technieken van de toekomst.

Op die manier kwam enkele jaren terug ook (3R,3R')-(P,P)-trans-1,1',2,2',3,3',4,4'-octahydro-3,3'-dimethyl-4,4'-biphenanthrylidene - een monstrueuze aanduiding voor een onopvallende, kleurloze vaste stof - aan de orde. Dit grote koolwaterstofmolecuul bestaat grofweg uit twee identieke, bijna vlakke structuren die als twee windvanen aan weerszijde zitten van een centrale as, een dubbele binding van twee koolstofatomen.

Valt er geschikt ultraviolet licht op deze verbinding, dan wringt de extra energie een van de vanen meteen een halve slag naar de andere kant. Nogmaals een lichtpuls en de vaan draait weer naar de beginstand.

Een fraaie schakelaar, leek het. Maar uit metingen bij de groep van prof. Harada van de Tohoku-universiteit in het Japanse Sendai, bleek iets vreemds. Feringa: 'Er leken veel te weinig omzettingen op te treden. Kennelijk zagen we iets over het hoofd. Er moest onderweg nog een tussenstap bestaan.'

Het was Feringa's aanstaande promovendus drs. Robert Zijlstra die op grond van computermodellen een ontbrekende tussenvorm suggereerde. 'We realiseerden ons dat het niet bij een halve slag bleef, mits er enige warmte in het systeem voorhanden is', aldus Feringa.

Na de eerste halve slag, berekende Zijlstra, verkeert het hele molecuul in een wat verwrongen toestand. Door op te warmen, kan het zich ontspannen, weer licht opnemen en verder draaien, weer naar een iets verwrongen toestand. Nog wat opwarmen brengt het molecuul weer in de begintoestand.

In Groningen onderwierpen postdoc dr. Nagatoshi Koumura en promovendus drs. Richard van Delden het omzettingsproces bij belichting aan een gedetailleerd onderzoek. Uit hun metingen leidden ze af dat de ene helft van het molecuul ten opzichte van de andere helft in vier stappen een volledige rotatie om de verbindingsas uitvoert. Daarbij is de ontspanning van het verwrongen molecuul steeds onomkeerbaar, zodat de draaiing gegarandeerd maar één kant op gaat.

Als de zaak warmer wordt gestookt dan zestig graden Celsius overwint de haperende vaan steeds opnieuw de verwrongen toestand en draait hij op het toegevoerde ultraviolette licht steeds in één richting rond.

Althans, nuanceert Feringa, dat is het vermoeden, want gezien heeft nog niemand het. 'We hebben de hele cyclus driemaal stapje voor stapje tot in detail bekeken om het principe te begrijpen. Toen werd het hoog tijd, op te schrijven wat we zagen.'

Verreweg de meeste populaire verhalen over nanotechnologie noemt Feringa nog regelrechte science fiction. Robotjes in de bloedbaan, synthese van hele biefstukken uit huisvuil; het is overdreven en misschien wel ongewenst ook. 'Maar langzaamaan begint er een heuse gereedschapskist van onderdelen voor nanomachientjes te ontstaan. Het is alleen nog heel vroeg en dat is soms moeilijk uit te leggen.'

Ook de Groningse motor staat nog in de kinderschoenen. Feringa wil eigenlijk af van de verwarming tot zestig graden, die nu nog nodig is om soepel te lopen. Kleine aanpassingen aan de structuur van het molecuul moeten dat al bij kamertemperatuur mogelijk maken. En eigenlijk zou het nog mooier zijn als er geen ultraviolet licht nodig zou zijn, maar slechts gewoon zonlicht.

Bovendien gaat zijn groep terug naar het syntheselab om de draaiende moleculen, die nu in een oplossing zweven, te verankeren op een vast oppervlak. En een soort chemische krukas eraan, zou dat ook mogelijk zijn?

'Het is eigenlijk heel simpel', zegt Feringa. 'We barsten van de vragen naar wat dit soort moleculen allemaal kan. Voorlopig kunnen we voort. Dit blijkt misschien wel helemaal niet de verbinding die het in de praktijk zal gaan maken. We zijn niet klaar, we zijn net begonnen.'

Meer over