Krachtwerking in nanomotoren opgehelderd

Krachtwerking in nanomotoren opgehelderd
In een nano-machine is een nano-motor nodig, en een veelbelovend systeem daarvoor zijn de zogenaamde rotaxanen. Deze moleculaire systeempjes bestaan uit een ring die om een as bewegend, en kunnen als motor worden ingezet. Maar hoe ze op microscopische schaal werkten was onduidelijk. Tot nu toe dan, want wetenschappers van FOM-instituut Rijnhuizen hebben de werking van deze nanomachines opgehelderd.

Rotaxanen, moleculaire systemen die bestaan uit een vrij bewegende ring rond een centrale as, zijn veelbelovend als aandrijving van toekomstige nanomachines. Om te achterhalen hoe de verschillende onderdelen precies in elkaar grijpen, onderzochten scheikundige dr. Anouk Rijs (FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen) en prof. dr. Wybren Jan Buma (Universiteit van Amsterdam) met een internationale groep wetenschappers de structuur van een geïsoleerd rotaxaan via infraroodspectroscopie. "Het is de eerste keer dat met deze techniek zulke grote en ingewikkelde moleculen zo gedetailleerd in kaart zijn gebracht", aldus de onderzoekers. De groep publiceerde de doorbraak in het prestigieuze Journal of the American Chemical Society.

Rotaxanen, of 'moleculaire motoren', zijn moleculaire complexen met onderdelen die ten opzichte van elkaar kunnen bewegen. Het team van Wybren Jan Buma en Anouk Rijs voerde gedetailleerde infraroodspectroscopie uit aan rotaxanen in de gasfase. Uit een vergelijking van de infraroodspectra van de losse centrale as, de ring en het complete rotaxaan blijkt hoe de verschillende onderdelen van de moleculaire motor elkaar vastgrijpen.

'Moleculaire motoren' worden ze wel genoemd, maar in rotaxanen zitten geen zuigers of bougies. Het zijn complexen van moleculen: een centrale as met daaromheen een ringvormig molecuul. Allebei zijn ze opgebouwd uit atomen als koolstof, zuurstof, stikstof en waterstof, en hun gedrag wordt bepaald door de wisselwerking van elektronenwolken in de as en ring. Grote 'stoppers' aan de uiteindes zorgen dat de ring niet van de as kan schuiven en een 'ankercomplex' halverwege de as vormt een voorkeurspositie voor de ring. In de nu bestudeerde rotaxanen grijpt dat anker de ring vast via zogeheten waterstofbruggen. Als er meerdere ankers zijn ingebouwd, kan de ring op commando van plaats wisselen. Licht, elektronen of een veranderde omgeving kunnen een rotaxaan in beweging zetten.

Infraroodspectroscopie
Anouk Rijs en haar collega's gebruikten infraroodspectroscopie om de interacties in hun rotaxanen te bekijken. Ze bepaalden ook welke structuur de verschillende componenten in het complex hebben. Infraroodspectroscopie kan de trillingsfrequenties bepalen van de verschillende bindingen in een molecuul. Die zijn erg afhankelijk van de precieze moleculaire structuur en van de interacties – zoals waterstofbruggen – tussen de verschillende onderdelen. Bepaling van de trillingsfrequenties levert als het ware een vingerafdruk van de verbindingen in de nanomotor. Omdat de onderzoekers niet willen dat de rotaxanen in hun experiment beïnvloed worden door elkaar of door hun omgeving, hebben zij ze bestudeerd in de vorm van een ijle gasbundel. Doordat er zo weinig moleculen in de bundel zitten, is de infraroodspectroscopie een stuk uitdagender. Daarom werd de vrije elektronen laser FELIX van FOM-Rijnhuizen gebruikt, die het benodigde enorme bereik aan infrarode golflengtes met hoog vermogen kan produceren.


Vingerafdrukken
Door hun ingenieuze aanpak konden de onderzoekers een vingerafdruk meten van zowel de losse onderdelen als van het complete rotaxaan. Uit een vergelijking van de patronen blijkt direct waar en hoe sterk de verbinding tussen ring en as is, zonder ingewikkelde berekeningen. Opmerkelijk resultaat is dat die verbinding alleen afhangt van de bouw van het ankercomplex; de stoppers aan het uiteinde van de as hebben geen invloed op de interactie tussen as en ring. Wel zichtbaar was het effect van verschillende ankers. "Je kunt de ankers zo kiezen, dat hun effect goed te onderscheiden is van andere interacties in het geheel", vertelt Rijs. Verder laten de infrarode vingerafdrukken nauwkeurig zien hoe het in elkaar grijpen van de verschillende onderdelen ook de interne bindingen in de componenten beïnvloedt. Buma: "Die vingerafdrukken zijn dus uitstekende monitors om de toestand van dit soort moleculaire motoren uit te lezen." In vervolgexperimenten willen de onderzoekers bekijken hoe gevoelig de interacties tussen de twee rotaxaanonderdelen zijn voor omgevingsmoleculen, en of ze de onderdelen ten opzichte van elkaar kunnen laten bewegen in "moleculaire motoren in de gasfase".

<sup>Afbeeldingen: Rijs en Buma / FOM Instituut Rijnhuizen, Sander Woutersen, AMOLF, Institute for Molecular Manufacturing (www.imm.org); Zyvex corporation (www.zyvex.com)

bron: kennislink.nl</sup>