Gekooide moleculaire motoren werken samen

Om echt nuttig gebruik te kunnen maken van moleculaire motoren zouden ze moeten samenwerken. Maar het is lastig om miljarden van deze piepkleine motortjes bij elkaar te zetten om ze dan als een eenheid te laten functioneren. Chemici van de Rijksuniversiteit Groningen (RUG) zijn er nu in geslaagd om een groot aantal door licht aangedreven motoren samen te brengen in een soort kooi-achtige vaste 3D structuur, een metaal-organisch raamwerk. De ontdekking is op 18 maart gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Nanotechnology.

De door licht aangedreven draaiende motoren zijn voor het eerste gemaakt door organisch chemicus prof. dr. Ben Feringa. Hij ontving voor die ontdekking de Nobelprijs in de Chemie van 2016. Dit soort motortjes op nanoschaal is inmiddels aan een oppervlak vastgezet en gebruikt in gels, vloeibare kristallen en kunstmatige spiervezels, waar ze in grote aantallen gezamenlijk werk kunnen verzetten op een zichtbare schaal. Maar het blijft een uitdaging om dit soort moleculaire motoren op een ordelijke wijze in een vast 3D materiaal te verwerken.

Kooien

Die uitdaging hebben RUG-onderzoekers opgepakt, onder leiding van prof. dr. Ben Feringa en zijn collega’s Sander Wezenberg en Wesley Browne. Zij maakten een werkend systeem waar 3 x 10²⁰ (een 3 gevolgd door twintig nullen) door UV licht aangedreven motoren per kubieke centimeter in zitten, die allemaal tegelijk dezelfde kant op draaien.

De onderzoekers gebruikten hierbij een metaal-organisch raamwerk (metal-organic framework, MOF), een soort moleculaire kooien van metalen die zijn verbonden door ‘spanten’, bestaand uit organische moleculen. De kooien vormen samen een 3D kristal. Het stilstaande deel van de motor (de stator) vormt de verticale pilaren van de kooien, het bewegende deel (de rotor) kan vrij ronddraaien in de kooi. De kooien zijn zo groot gemaakt zodat de rotors ongehinderd volledige omwentelingen kunnen maken wanneer ze met UV-licht worden beschenen.

Tests wezen uit dat de motoren bijna allemaal in dezelfde oriëntatie stonden en dat hun rotatiesnelheid vergelijkbaar was met die in vloeistof. Dat was een prettige verrassing, want eerdere pogingen van andere onderzoeksgroepen om rotaxanen, een ander type moleculaire machines, te verwerken in dit soort kooien liet zien dat hun bewegingen hierdoor werden gehinderd.

Pomp

Maar nu blijkt het dus mogelijk om een motor-MOF te maken, een kristal waarin kooien met moleculaire motoren dicht opeengepakt zitten. Dit soort kristallen zou bruikbaar kunnen zijn om de diffusie van gassen te controleren, of als door licht aangedreven pomp te dienen in microkanaaltjes voor bijvoorbeeld een ‘lab op een chip’. Een andere toepassing is om de motor-MOF materialen te laten opnemen die vervolgens in de kooien met elkaar reageren en dan door de motortjes naar buiten worden gepompt.

Voordat het zover is er nog veel onderzoek nodig. Het is bijvoorbeeld niet ondenkbeeldig dat materiaal dat door de kooien stroomt de moleculaire motoren hindert en zorgt voor verstopping. Maar het systeem dat Feringa en zijn collega’s nu hebben gepresenteerd biedt in ieder geval de mogelijkheid om het collectieve gedrag te onderzoeken van moleculaire motoren die in 3D structuren samenwerken.

Referentie: Wojciech Danowski, Thomas van Leeuwen, Shaghayegh Abdolahzadeh, Diederik Roke, Wesley R. Browne, Sander J. Wezenberg and Ben L. Feringa: Unidirectional rotary motion in a metal–organic framework. Nature Nanotechnology, 18 March 2019 DOI 10.1038/s41565-019-0401-6