Alle remmen los met besturing moleculaire motor

In de natuur spelen moleculaire machines een sleutelrol in de werking van levende cellen. Om dat te evenaren proberen wetenschappers zelf kunstmatige machines te bouwen uit moleculen, met vergelijkbare eigenschappen als bijvoorbeeld macroscopische tandwielen, zuigers, liften en motoren. De werking van moleculaire machines is gebaseerd op het aansturen van de onderlinge bewegingen van hun componenten. Zulke onderdelen meten een paar nanometer; 10 000 keer zo klein als de dikte van een haar. Bij het bestuderen van hun bewegingen onder normale omstandigheden zorgen de visceuze krachten (‘stroperigheid’) en de wanordelijke beweging van de moleculen en hun onderdelen voor een onscherp beeld. Rijs en Buma onderzochten een populair type moleculaire motoren: rotaxanen. Door gedoseerde invloed over de storende omgevingseffecten kregen ze de rotaxaanbeweging onder controle.

Rotaxanen

Rotaxanen zijn moleculen met een ideale structuur voor toepassingen als moleculaire machines. Ze bestaan uit een centrale as en een ring die zich in principe vrij over de as kan bewegen, maar wel één of meerdere voorkeursposities op die draad heeft. De ring tussen die voorkeursposities laten bewegen ligt aan de basis van moleculaire machine-toepassingen. Onderzoekers van het FOM-Instituut Rijnhuizen en de Universiteit van Amsterdam hebben samen met collega’s van Università di Bologna en de University of Edinburgh een nieuwe methode ontwikkeld waarmee ze de ring gecontroleerd los kunnen koppelen van de draad. Tegelijkertijd houden ze een scherp beeld van het proces, door sterk afgekoelde rotaxanen te onderzoeken die geïsoleerd zijn van hun omgeving. Hun aanpak om de interacties tussen draad en ring stapsgewijs te regelen is door één voor één moleculen oplosmiddel toe te voegen aan één geïsoleerd rotaxaanmolecuul.

Infraroodspectroscopie

Anouk Rijs en haar collega’s gebruikten infraroodspectroscopie om te bepalen in hoeverre ring en draad nog aan elkaar gekoppeld waren, en om te kijken welke structuur het rotaxaan bij toenemende ontkoppeling aanneemt. Om de toestand van de moleculaire machine uit te lezen gebruikten ze de vrije elektronen infraroodlaser FELIX van FOM-Rijnhuizen, die het benodigde enorme bereik aan infrarode golflengtes met hoog vermogen kan produceren.

Loslaten van een moleculaire rem

In hun experimenten hebben Rijs en Buma laten zien hoe de binding tussen ring en draad langzaam verandert als meer oplosmiddelmoleculen worden toegevoegd. Het blijkt dat er na toevoeging van vier à vijf oplosmiddelmoleculen dramatische veranderingen optreden in het infraroodspectrum die direct aangeven dat op dat moment de ring ontkoppeld is van de draad. Het hele proces lijkt in veel opzichten op het loslaten van een rem door de remdruk te veranderen. Het gecontroleerd loslaten van deze moleculaire rem is een essentiële stap in toepassingen van rotaxanen waarin de ring verplaatst wordt. Experimenten waarbij op analoge wijze de ring verplaatst wordt, zijn volgens de resultaten in Angewandte Chemie binnen handbereik.

Referentie

Controlled Hydrogen-Bond breaking in a Rotaxane by Discrete Solvation, Anouk M. Rijs, Nadja Sändig, Martine N. Blom, Jos Oomens, Jeffrey S. Hannam, David A. Leigh, Francesco Zerbetto, and Wybren Jan Buma. Het artikel is op 29 april 2010 gepubliceerd in Angewandte Chemie (International Edition).