Stichting FOM
3 mei 2010, 2010/16
Alle remmen kunnen los met nieuwe besturing van moleculaire motor
Onderzoekers dr. Anouk Rijs (FOM-Instituut voor Plasmafysica
Rijnhuizen) en prof.dr. Wybren Jan Buma (Universiteit van Amsterdam)
hebben samen met een groep internationale wetenschappers een nieuwe
methode ontwikkeld om moleculaire machines gecontroleerd en
voorspelbaar aan te sturen. Rijs en Buma publiceerden hun resultaten
vorige week in het tijdschrift Angewandte Chemie, waarin het als één
van de hoogtepunten wordt uitgelicht.
vergroten Figuur 1. Alle remmen los!
De wisselwerking tussen de twee componenten - de as en de ring - van
een prototype rotaxaan kan getuned worden door één voor één
oplosmiddelmoleculen toe te voegen. Met als resultaat: "Alle remmen
los!"
vergroten Figuur 2. Voorbeeld van een infrarood absorptiespectrum
Voorbeeld van een infrarood absorptiespectrum van het complex van een
rotaxaan met één methanol-molecuul (zwart) en met vijf methanol
moleculen (blauw). Het infraroodspectrum laat zien dat wanneer er vijf
oplosmiddelmoleculen zijn toegevoegd, de ring vrij komt van de as. Dit
is het duidelijkst te zien aan het verdwijnen van de oranje band in het
spectrum, die de wisselwerking tussen de ring en draad weergeeft.
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).
Contact
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Dr. Anouk Rijs, FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, (030) 609
68 23
Prof.dr. Wybren Jan Buma, Universiteit van Amsterdam, (020) 525 69 73