EO

Antenne voor infrarood licht drijft moleculaire motor aan

30 oktober 2020 om 10:32 uur

Illustratie van de motor (stator en rotor, rechts) en de antenne die nabij-infrarood licht opvangt en doorgeeft aan de as. Beeld:e Nong Hoang en Lukas Pfeiffer

Door licht aangedreven moleculaire motoren kennen verschillende toepassingen, bijvoorbeeld in functionele materialen, als motor in een nano-robotje of om materialen op commando te laten reageren, zoals in een capsule die opent om geneesmiddelen af te leveren. Voor toepassingen in biologische materialen moet het licht onschadelijk zijn en diep in weefsel doordringen. Scheikundigen van de RUG hebben nu een roterende motor ontworpen die efficiënt wordt aangedreven door infrarood licht, door een antenne aan het motor-molecuul te koppen.


Het ontwerp en het functioneren van deze motor is gepubliceerd in Science Advances.

 

De eerste door licht aangedreven moleculaire motor is in 1999 door RUG-hoogleraar organische chemie Ben Feringa gepresenteerd. Hij was een van de drie winnaars van de Nobelprijs voor Chemie, die in 2016 werd toegekend voor ontwikkeling van moleculaire machines. Zijn moleculair motor is steeds verder doorontwikkeld, maar een grote beperking voor praktische toepassingen is dat deze door ultraviolet licht is aangedreven. In veel toepassingen kan UV-licht schadelijk zijn. Pogingen om de motor aan te drijven met nabij-infrarood fotonen, die minder energie bevatten, waren tot nu toe zonder succes.

 

Energie

Er is ook geprobeerd om het motormolecuul zo aan te passen dat het twee fotonen met lage energie kan gebruiken, in plaats van één foton met hoge energie. Maar ook dit leverde geen succes op. Daarom gooiden de onderzoekers in het Feringa-lab het over een andere boeg. Zij koppelden via een covalente binding een antenne aan het motormolecuul, die twee nabij-infrarode fotonen kan absorberen. Dat zorgt voor een aangeslagen toestand in de antenne, die overgedragen wordt aan de motor.

 

Veel van dit werk is gedaan door Lukas Pfeifer, destijds postdoc in het Feringa-lab maar nu werkzaam aan de Swiss École Polytechnique Fédérale in Lausanne. "Om het systeem goed te laten functioneren moesten de energieniveaus van de antenne en de motor goed op elkaar zijn afgestemd', legt hij uit. Hiervoor ontwierp hij een nieuwe versie van de moleculaire motor, die gaat draaien van precies de hoeveelheid energie die de antenne levert. "Daarnaast moest er een verbindingsstuk komen waarmee de antenne aan de motor is te koppelen zonder de rotatie te hinderen."

 

Simpel

"Er vindt een directe overdracht plaats van de aangeslagen toestand. Dit kun je vergelijken met een aangeslagen gitaarsnaar, die een tweede snaar doet trillen", zegt auteur Maxim Pshenichnikov. Het idee is dus vrij eenvoudig. "Als je weet hoe het werkt is het inderdaad simpel', zegt Pshenichnikov. "Maar het was zeer lastig om dat molecuul te ontwerpen en te maken."

motorMeetopstelling met het motormolecuul in infrarood licht. Foto Nong Hoang

 

De motor gaat bewegen door een complexe serie gebeurtenissen die zich in zeer korte tijd afspelen, van enkele picoseconden (een duizendste van een miljardste seconde) tot enkele minuten. De verschillende gebeurtenissen zijn bestudeerd door Pfeifer met NMR spectroscopie en door Nong Hoang, promovendus in de groep van Pshenichnikov, via ultrasnelle spectroscopie. Wat er gebeurt is dit: eerst vangt de antenne twee nabij-infrarode fotonen op, vervolgens springt de energie van de antenne naar de motor en gaat deze draaien. Uiteindelijk bleek het ontwerp uitstekend te werken.

 

Droom

"Na jaren van ontwikkeling van onze moleculaire motoren hebben we eindelijk een manier om ze te laten draaien zonder gebruik van hoog-energetisch ultraviolet licht. Dat is een droom die uitkomt", zegt Feringa. "Ik vind onze resultaten echt een mijlpaal in de ontwikkeling van kunstmatige moleculaire motoren. Dit biedt allerlei mogelijkheden voor toepassingen, van responsieve materialen tot biomoleculaire systemen."

 

De volgende stap is om de structuur van het motor-antenne complex te vereenvoudigen. Dat maakt het mogelijk om vervolgens extra functionaliteit toe te voegen. Een toepassing van het nieuwe motor molecuul is als schakelaar om de inhoud van een blaasje in een biologisch systeem vrij te laten komen.

 

Gerelateerd nieuws

's Werelds eerste 4p passagiersvliegtuig op waterstof en li-ion krijgt testvluchtvergunning

's Werelds eerste 4p passagiersvliegtuig op waterstof en li-ion de lucht in (video)

's Werelds eerste volledig elektrische vierpersoons passagiersvliegtuig heeft een testvluchtvergunning gekregen. De Hy4 is ontwikkeld in Duitsland en vliegt op waterstof, aangevuld met extra power uit een li-ion…

Kan machine learning de ontwerpcyclus van technologie 40.000 keer versnellen?

Kan machine learning de ontwerpcyclus van technologie 40.000 keer versnellen?

Een onderzoeksteam van Sandia National Laboratories (VS) heeft machine learning gebruikt om lastige materiaalkundige berekeningen meer dan 40.000 keer sneller dan normaal uit te voeren. Hun resultaten kunnen een…

Visualisatie voegt transparantie toe aan digitale productontwikkeling

Visualisatie voegt transparantie toe aan digitale productontwikkeling

Productontwikkeling wordt steeds veeleisender. Kwaliteitseisen worden steeds hoger en bovendien moeten ontwerpers rekening houden met criteria als duurzaamheid en energie-efficiëntie. Visualisatiesoftware biedt de…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

10 januari 2021, Utrecht

European Microwave Week

De European Microwave Week vindt dit jaar weer plaats in Nederland.

25 februari 2021, 24, 25 en 26 februari 2021

Machineveiligheid in vogelvlucht (online training)

15 maart 2021, Utrecht

Technishow + Esef

TechniShow is ingedeeld in verschillende sectoren waar productietechnieken, fases en toebehoren van het...

Meer agendapunten »