Moleculaire schakelaar verandert gas adsorptie in polymeer

Kort & bondig

Moleculaire machines zijn een veelbelovend gereedschap, maar ze zijn heel klein, een fractie van een millimeter. Om werk te verrichten in de zichtbare wereld moet je er een heleboel van laten samenwerken. RUG scheikundigen hebben een netwerk gemaakt waarin moleculaire schakelaars zitten verwerkt. Deze zijn te bedienen met behulp van ultraviolet licht. De wetenschappers hebben kleine bolletjes gemaakt van dit materiaal die gas kunnen opnemen, zoals stikstof of kooldioxide. Als de schakelaars zijn omgezet past er minder gas in zo’n bolletje. Dit materiaal is mogelijk bruikbaar om gassen op te vangen en weer vrij te laten, zodat je bijvoorbeeld het broeikasgas kooldioxide uit fabrieksschoorstenen kunt halen.

Scheikundigen van de RUG hebben met collega’s van de Universiteit van Milaan (Italië) een zacht poreus aromatisch raamwerk gemaakt waarin lichtgevoelige schakelaars zijn verwerkt. De adsorptie van stikstof en kooldioxide gas neemt sterk af als de schakelaars met behulp van licht worden omgezet. Dit soort materiaal is wellicht bruikbaar om gassen uit fabrieksschoorstenen te halen, waarna het eenvoudig en zonder dat het veel energie kost is te regenereren. Het materiaal is beschreven in het tijdschrift Nature Chemistry van 26 juni.

Moleculaire schakelaars en motoren komen veel voor in de natuur, waar ze een belangrijke rol spelen. Kunstmatige moleculaire machines zijn veelbelovend, de Nobelprijs voor de chemie van 2016 is toegekend voor de ontwikkeling ervan. In het lab van Ben Feringa, een van de drie winnaars van die prijs, werkt Wojchiech Danowski aan het toepassen van de kracht van moleculaire machines.

Samenwerken

Een belangrijke uitdaging is om moleculaire motoren of schakelaars samen te laten werken in een vaste stof. Op die manier is het mogelijk de toevallige, door warmte in gang gezette bewegingen te beperken en de mechanische effecten te versterken, en zo grote aantallen motoren of schakelaars op nanoschaal te verbinden aan de zichtbare wereld. Vorig jaar publiceerde Danowski al hoe hij moleculaire motoren kon laten samenwerken in een stijf metaal-organisch raamwerk. Nu heeft hij zich gericht op het gebruik van schakelaars om de eigenschappen te veranderen van een zacht, op polymeren gebaseerd poreus raamwerk.

‘Deze poreuze materialen zijn gemakkelijk te maken en erg stabiel’, legt Danowski uit. ‘Bovendien is het mogelijk de optische schakelaars erin te verwerken.’ Omdat het poreus is kan het materiaal gas adsorberen, maar het helpt ook om alle schakelaars te bereiken met het ultraviolette licht dat nodig is om ze te bedienen. Het materiaal wordt gemaakt in een oplossing waarin het polymeriseert en als kleine bolletjes neerslaat.

Stijver

Zo ontstaat een lichtgeel poeder dat oranje wordt wanneer de schakelaars met licht worden omgezet. Tegelijkertijd neemt het vermogen gas op te nemen sterk af. ‘Dit gebeurt voor zowel stikstof als kooldioxide, twee gassen met heel verschillende chemische eigenschappen’, zegt Danowski. Hieruit blijkt dat de afname in adsorptie het gevolg is van een mechanisch effect en niet van een verandering in de elektronische eigenschappen. Danowski: ‘We onderzoeken nog hoe dat precies gebeurt. Tijdens adsorptie zwellen de bolletjes op. Het lijkt erop dat ze een beetje stijver worden na het schakelen, dus wellicht drukt dat het gas eruit.’

De resultaten van het onderzoek laten zien dat het mogelijk is om in een zacht poreus raamwerk een macroscopisch effect te krijgen met behulp van moleculaire schakelaars. Een mogelijke toepassing is in gaswassers, die kooldioxide opnemen. ’Dit gebeurt nu in speciale vloeistoffen die je tot hoge temperaturen moet verhitten om ze te regenereren’, zegt Danowski. Dat kost veel energie, terwijl het zachte poreuze raamwerk met licht is te regenereren, met veel minder energie.

Chromatografie

Maar voordat zo’n toepassing mogelijk is moet eerst worden aangetoond dat het materiaal onder industriële omstandigheden kan werken. Dat zal nog jaren onderzoek vergen. Danowski: ‘Maar we hebben een eerste stap gezet. Bovendien is de schakelaar chiraal, er zijn twee spiegelbeeldige vormen van. We willen proberen selectief één vorm in te bouwen, dan kunnen we het mogelijk gebruiken voor chromatografie, waarbij het specifieke chirale moleculen bindt.’

Referentie: Fabio Castiglioni, Wojciech Danowski, Jacopo Perego, Franco King-Chi Leung, Piero Sozzani, Silvia Bracco, Sander J. Wezenberg, Angiolina Comotti & Ben L. Feringa: Modulation of porosity in a solid material enabled by bulk photoisomerization of an overcrowded alkene. Nature Chemistry 26 juni 2020.