17 feb. 1999
2 minuten
Door licht aangedreven moleculaire motoren bestaan al zo’n twintig jaar. Deze draaien doorgaans rond in micro- tot nanoseconden. Aan de RUG is nu een motor ontworpen die alleen op licht loopt en in enkele picoseconden een rondje kan draaien, met de energie van slechts één foton.
Het ontwerp is gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letters.
Het ontwerp van de nieuwe motor komt voort uit onderzoek naar de energieverdeling in chromoforen, de ‘kleurdragers’ die een stof zijn kleur geven. "Deze chromoforen kunnen elkaar aantrekken of afstoten. Ik vroeg mij af of we hiervan gebruik konden maken om ze iets te laten doen", vertelt adjunct hoogleraar natuurkunde Thomas Jansen. Student Atreya Majumdar simuleerde de wisselwerking tussen twee chromoforen die aan elkaar vast zitten, en zo één molecuul vormen.
Majumdar: "Een enkel foton brengt allebei de chromoforen tegelijk in een hogere energietoestand. Daardoor ontstaan dipolen en de lading daarvan zorgt voor onderlinge afstoting." Maar omdat de twee chromoforen aan elkaar vast zitten, verbonden door een as bestaand uit een driedubbele binding, duwen de twee helften elkaar weg rond deze as. "Tijdens de beweging beginnen ze elkaar weer aan te trekken." Alles bij elkaar zorgt dit voor een volledige rotatie, die ontstaat door de lichtenergie en de elektrostatische wisselwerking tussen de chromoforen.
De allereerste licht-aangedreven moleculaire motor is ontworpen door Nobelprijswinnaar Ben Feringa. Deze motor maakt een omwenteling in vier stappen. Twee daarvan zijn aangedreven door licht en twee door warmte. "De warmte-stappen zijn de langzaamste en bepalen hoe snel de motor kan draaien", aldus Jansen. "Het molecuul moet namelijk wachten totdat een toevallige fluctuatie in de warmte-energie deze stap veroorzaakt."
In het nieuwe ontwerp gaat een omwenteling van een hoge naar een lagere energietoestand. En omdat – met dank aan de wetten van de kwantumdynamica – een enkel foton beide chromoforen tegelijk in een hoge energietoestand brengt, zijn er geen knelpunten die de rotatiesnelheid beperken. De nieuwe motor kan daarom honderd tot duizend keer sneller draaien dan de klassieke ‘Feringa-motoren’.
Dit is nog theorie, gebaseerd op berekeningen en simulaties. "Het bouwen van deze motoren zal niet eenvoudig zijn", erkent Jansen. De chromoforen waar ze op gebaseerd zijn worden op zich veel gebruikt, maar zijn tamelijk kwetsbaar. En het maken van een driedubbele binding als centrale as is ook niet eenvoudig. Toch verwacht Jansen dat er wel iemand zal zijn die dit molecuul gaat bouwen, nu de eigenschappen zijn beschreven. Bovendien gaat het niet om één specifiek molecuul, voegt Majumdar toe: "We hebben een algemene regel voor het maken van dit nieuwe type moleculaire motor beschreven."
Blauwdruk
Jansen denkt dat er toepassingen voor de motor zullen zijn als krachtbron in geneesmiddelentransport, om nano-objecten over een oppervlak te verplaatsen, of andere nanotechnologische toepassingen. En de draaisnelheid is groter dan van doorsnee biofysische processen, dus kun je die wellicht controleren met de motoren. In de simulaties zaten de motoren vast op een oppervlak, maar ze draaien ook in een oplossing.
Anderen lazen ook
