Groningse onderzoekers ontwerpen supersnelle moleculaire motor

Door licht aangedreven moleculaire motoren bestaan al zo’n twintig jaar. Deze draaien doorgaans rond in micro- tot nanoseconden. Thomas Jansen, adjunct hoogleraar natuurkunde aan de RUG heeft samen met (toenmalig) masterstudent Atreya Majumdar een veel snellere motor ontworpen. De nieuwe motor loopt alleen op licht en kan in enkele picoseconden een rondje draaien, met de energie van slechts één foton. Jansen: ‘We hebben een totaal nieuw ontwerp gemaakt voor een motormolecuul dat daarmee veel sneller is.’ Het ontwerp voor deze motor is op 7 juni 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’, legt Jansen uit. Hij gaf het project aan Atreya Majumdar, destijds eerstejaars student in de Topmaster Nanotechnologie aan de RUG. Majumdar simuleerde de wisselwerking tussen twee chromoforen die aan elkaar vast zitten, en zo één molecuul vormen.

Licht

Majumdar, die inmiddels als promovendus werkt aan de Université Paris-Saclay in Frankrijk, legt uit wat hij ontdekte: ‘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. Majumdar: ‘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 een collega van Jansen, hoogleraar Organische Chemie Ben Feringa, die daarvoor in 2016 de Nobelprijs voor Scheikunde in ontvangst mocht nemen. 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’, legt Jansen uit. ‘Het molecuul moet namelijk wachten totdat een toevallige fluctuatie in de warmte-energie deze stap veroorzaakt.’

Knelpunten

In het nieuwe ontwerp is dat anders, een omwenteling gaat 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 allemaal 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 ook toepassingen voor de motor zullen zijn. Bijvoorbeeld 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. Jansen: ‘Er zal nog flink wat technische ontwikkeling en afstelling nodig zijn om deze motoren te bouwen, maar onze blauwdruk zal uiteindelijk zorgen voor een totaal nieuw type moleculaire motor.’

Referentie: Atreya Majumdar and Thomas L. C. Jansen: Quantum-Classical Simulation of Molecular Motors Driven Only by Light. The Journal of Physical Chemistry Letters, online 7 Juni 2021.