Power stroke moleculaire motor in beeld

In samenwerking met de Britse onderzoeksgroep van Steve Meech (University of East Anglia) publiceren chemici van de Rijksuniversiteit Groningen onder leiding van prof. dr. Ben L. Feringa afgelopen weekend in Nature Chemistry nieuw onderzoek naar de moleculaire motor. Meer begrip van de ultrasnelle dynamica van het molecuul tijdens de rotatie van de rotor was nu het doel.

Met de uitvinding van een moleculaire, door licht aangedreven rotatiemotor liet de Groningse chemicus Ben Feringa in 1999 zien dat je op nanoschaal een vondst van wereldformaat kunt doen. De werking van de motor werd al bij de publicatie in Nature in dat jaar beschreven: de rotor draait rond in vier stappen, die afwisselend door licht- of warmte-energie worden aangedreven.

Maar een gedetailleerd beeld van de moleculaire dynamica ontbrak tot nu toe - en die kennis is wel nodig voor de verdere ontwikkeling van nieuwe generaties motoren op nanoschaal. Met de uitkomsten van het onderzoek in Nature Chemistry wordt dit gedetailleerde inzicht in de ‘power stroke' van de moleculaire motor nu wel verkregen.  

Snelle verbetering

De allereerste versie van de nanomotor uit 1999 was nog lang niet praktisch bruikbaar; elk van de vier rotatiestappen kostte enkele uren werk in het laboratorium. Maar dat veranderde snel. In 2002 kon Feringa melden dat de snelheid van de tweede generatie moleculaire motoren aanzienlijk was toegenomen en in 2007 bereikte de rotor op kamertemperatuur zelfs een Mhz frequentie (één miljoen omwentelingen per seconde). Dat alles was bereikt door de verbetering van de stappen die onder invloed van warmte plaatsvinden, de langzaamste onderdelen van de rotatie.  

Molecuulstructuur

In het nieuwe onderzoek worden de snelle, door licht aangedreven rotatiestappen onder de loep genomen. Geen gewone loep uiteraard; bij het onderzoek werd gebruik gemaakt van ‘ultrafast fluorescence up-conversion spectroscopy'. Met deze techniek kunnen veranderingen in een molecuulstructuur in beeld worden gebracht die plaatsvinden in 50 femtoseconde (1 femtoseconde is 10^-15 seconde). 

De moleculaire motoren uit het onderzoek voeren onder invloed van licht en warmte een unidirectionele rotatie uit; de rotor draait in steeds dezelfde richting ten opzichte van de stator (het vaste ankerpunt). Als het molecuul een foton absorbeert, komt het in een zogeheten ‘aangeslagen' toestand terecht. De starre dubbele band van de rotatie-as breekt dan even open zodat de rotatie kan plaatsvinden. Uit het onderzoek blijkt dat dit gebeurt op een tijdschaal van 0,9 tot 1,5 picoseconde (één picoseconde is 10^-12 seconde).

Oscillatie

Tijdens de fluorescentiemetingen werd ook een oscillatie waargenomen, die erop duidt dat enkele vibraties in het molecuul worden geactiveerd als het een foton absorbeert. Met behulp van berekeningen en Raman-spectroscopie is geprobeerd om te achterhalen welke vibraties dit precies zijn. De onderzoekers vermoeden dat een vervorming van de rotatie-as in het spel is, maar met zekerheid kon dit niet worden bewezen.  

Optimaliseren

"De uitkomsten van dit onderzoek helpen ons om de rotatie van de moleculaire motoren beter te begrijpen en te optimaliseren," zegt Feringa over het bereikte resultaat. "Met verder onderzoek naar de elektronische structuur van de rotatie-as, zodat die kan worden aangepast, kan de efficiëntie van de motor verder vergroot worden. Het feit dat er ook vibraties worden geactiveerd als het molecuul in de aangeslagen toestand komt, biedt bovendien misschien de mogelijkheid om de rotatie te beheersen met specifiek afgestemde laserpulsen."

Ultrafast dynamics in the power stroke of a molecular motor. Jamie Conyard, Kiri Addison, Ismael A. Heisler, Arjen Cnossen, Wesley R. Browne, Ben L. Feringa and Stephen R. Meech. Nature Chemistry, advanced online publication. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/NCHEM.1343