Groningse onderzoekers hebben in een computersimulatie gezien hoe ze moleculaire motoren – piepkleine machinetjes die onder invloed van licht bewegen – kunnen opvoeren. De motoren kunnen tot duizend keer sneller bewegen dan voorheen.
De eerste door licht aangedreven moleculaire motor werd ruim twintig jaar geleden ontwikkeld door de Groningse hoogleraar Ben Feringa. Dat leverde hem in 2016 de Nobelprijs voor de scheikunde op. Collega’s van Feringa presenteren nu een manier om moleculaire motoren flink op te voeren, zodat ze honderd tot duizend keer sneller draaien.
Een zetje van één enkel lichtdeeltje (foton) is voldoende om de nieuwe moleculaire motor razendsnel te laten draaien. Dit in tegenstelling tot de motortjes van Feringa die ook warmte-energie uit de omgeving nodig hadden om een deel van hun draai te maken. Die warmte-stappen zijn relatief traag. Feringa’s motortjes deden er een miljoenste tot een miljardste van een seconde over om te roteren. Het nieuwe ontwerp draait in een biljoenste van een seconde.
Voorlopig bestaan deze ultrasnelle moleculaire motoren enkel in computersimulaties. Ze zijn nog niet gemaakt in het lab.
Roterende magneten
Thomas Jansen, natuurkundige aan de Rijksuniversiteit Groningen, kwam op het ontwerp toen hij chromoforen onderzocht. Dit zijn ‘kleurdragers’ die een stof een kleur geven. ‘Ik realiseerde me dat wanneer meerdere chromoforen tegelijkertijd worden ‘aangeslagen’ door één foton, ze elkaar kunnen afstoten of aantrekken’, zegt hij. ‘Daaruit ontstond het idee om ze voor een motor te gebruiken.’
Atreya Majumdar, destijds masterstudent in Groningen, ging met dit idee aan de slag. Met computersimulaties onderzocht hij wat er gebeurt als je licht schijnt op twee verbonden chromoforen. ‘Als er geen licht op staat, dan is de motor in de laagst mogelijk energietoestand’, zegt Majumdar. ‘Een lichtdeeltje met een specifieke kleur (golflengte) kan allebei de chromoforen vervolgens tegelijkertijd in een hogere energietoestand brengen.’ Dit is een quantummechanisch proces.
In die hogere energietoestand ontstaat bij beide chromoforen een dipool. Dit betekent dat elk chromofoor zich gedraagt als een soort magneet met een noord- en zuidpool. Bij magneten stoten gelijke polen elkaar af en trekken verschillende polen elkaar aan. Iets vergelijkbaars gebeurt er met de chromoforen. Ze stoten elkaar eerst af, maar omdat ze aan elkaar vast zitten, betekent dit dat ze om hun as gaan draaien. Tijdens deze beweging gaan de chromoforen elkaar weer aantrekken, waardoor ze het rondje compleet maken. Zo zorgt een zetje van een enkel lichtdeeltje voor de volledige rotatie van het motortje dat uit twee chromoforen bestaat.
Zwiepende staart
In de computersimulaties was de motor vastgezet op een oppervlak, maar de onderzoekers denken dat hij ook werkt in een vloeistof. ‘Een toepassingen zou kunnen zijn om het motortje te gebruiken als een soort zweepstaartje, zoals sommige bacteriën dat ook hebben’, zegt Jansen. Daarmee zou de motor piepkleine nano-objecten of medicijnen door een vloeistof kunnen vervoeren.
Zover is het nog niet. Het nieuwe motorontwerp is gebaseerd op berekeningen en simulaties. Er zijn nog geen plannen om het te bouwen in het lab. ‘Het is niet eenvoudig om deze moleculen te maken’, erkent Jansen. De chromoforen zijn kwetsbaar en ze aan elkaar vastmaken is lastig. Maar er zijn veel verschillende soorten chromoforen. De hoop is dat er iets tussen zit waarmee de motor gemaakt kan worden.
Majumdar: ‘We hebben onze resultaten gepubliceerd in de hoop dat er ergens in de wereld organische chemici zijn die dit kunnen maken.’
