Een moleculair windmolenpark

Nanotechnologie is in. Steeds meer onderzoekers verkennen de wereld van de moleculaire legodoos. "Maar we zijn nog niet veel verder dan de zeepkistfase," zegt prof.dr.B.L. Feringa, hoogleraar Organische Chemie aan de Rijksuniversiteit Groningen.
BR>Hij laat een klein buisje met een theelepeltje witte stof zien. Het lijkt wel een soort fijne suiker. "Dit buisje bevat een miljard maal een miljard exemplaren van ons motortje." Ruim een jaar geleden maakte de onderzoeksgroep van Feringa faam door als eerste een moleculaire motor te maken. Een motortje op de schaal van een nanometer, van een miljoenste millimeter. Dat is zo klein dat je het je haast niet kunt voorstellen.
De Groninger scheikundigen hadden een organisch molecuul gemaakt, bestaande uit twee identieke helften die zich aan weerskanten van een dubbele binding tussen twee koolstofatomen bevinden. Door een van beide helften met ultraviolet licht te bestralen, bleek het mogelijk deze helft ten opzichte van de andere te laten draaien, in één richting, waarbij de dubbele koolstofbinding als as fungeert. "Met deze constructie hadden we aangetoond dat we een moleculair aandrijfmechanisme konden maken, dat één kant opdraait. Een moleculaire motor, dus. Maar natuurlijk nog wel een heel primitieve versie."
Onlangs maakte het wetenschappelijk tijdschrift Nature melding van de fabricage van twee andere typen nanomachines. Franse onderzoekers van de Universiteit van Straatsburg was het gelukt op moleculaire schaal het principe van een spier na te bootsen. Ze gebruikten daarvoor twee draden met aan het uiteinde van elk een ring, waarbij de ring van de ene draad over de andere draad glijdt. In aanwezigheid van koperionen bevindt de 'nanospier' zich in gestrekte stand, door de koperionen te vervangen door die van zink trekken de nanodraden zich samen.
Verder hebben Japanse onderzoekers op moleculaire schaal een systeem ontwikkeld, dat uit twee (porfyrine-)ringen bestaat waartussen zich, als een soort kogellager, een atoom van het metaal cerium of zirconium bevindt. Door het toevoegen van energie gaat een van de twee ringen of schijven draaien. Door aan de metalen elektronen toe te voegen dan wel te onttrekken konden de onderzoekers de snelheid van de ronddraaiende schijf in zekere zin controleren. Kleine stapjes op de lange weg naar toepasbare nanotechnologie.
Intussen hebben de Groninger onderzoekers al weer druk aan hun molecuul zitten sleutelen. Waar het eerste model nog wat moeizaam via ultraviolet licht en bij een temperatuur van 60 graden Celsius in vier stappen een hele omwenteling maakte, gaat dat nu met een aangepaste versie een jaar later al veel soepeler met licht in het meer zichtbare gebied en bij een temperatuur van tussen de 30 en 40 graden C.

Duizend omwentelingen per seconde


"Uiteindelijk willen we een nanomotor maken die op zonlicht en bij kamertemperatuur draait. En ook sneller draait, we streven naar duizend omwentelingen per seconde." Maar ze willen meer. "De nanomotor willen we ook aan andere moleculen of aan een oppervlak kunnen vastmaken om iets te laten bewegen of voort te stuwen. In ons nieuwste ontwerp zijn de beide helften aan weerszijden van de centrale as niet meer gelijk, maar bestaat de nanomotor uit een verschillende onder- en bovenhelft. De onderhelft kunnen we, bijvoorbeeld, met twee pootjes vastzetten op een oppervlak, terwijl we de bovenhelft als een propellortje laten draaien. Zie het als een moleculaire windmolen. We zijn nu bezig een groot aantal 'molentjes' op een rij op een oppervlak te plaatsen, waarbij alle propellortjes dezelfde kant opdraaien - een moleculair windmolenpark op nanoschaal." Zijn ogen glunderen, wanneer hij dat zegt. Hij heeft plezier in zijn onderzoek.
In de verschillende centra in de wereld en in Nederland - naast Groningen zijn dat de Universiteit Twente en de Technische Universiteit Delft - waar aan nanotechnologie wordt gewerkt, gaat het nog steeds om heel fundamenteel onderzoek. "We kunnen ook nog veel leren van de natuur. In onze cellen komen heel veel nanomotortjes voor, zoals moleculaire pompjes die stoffen de cel in en uit moeten pompen." Natuurlijk wordt er over mogelijke, toekomstige toepassingen heel veel nagedacht, of eerder nog gefantaseerd. In de vorm van robotjes die via de bloedbaan cellen repareren, als motortjes die heel specifiek bepaalde medicijnen naar de juiste cellen brengen.
Veel science fiction nog, zegt Feringa, maar hij is ervan overtuigd dat er een wereld van mogelijkheden voor ons ligt, "waar we nog geen weet van hebben. Maar dan zijn we wel een jaar of 20 tot 30 verder. Problemen als de stabiliteit van deze structuren, hun levensduur en de mogelijkheid deze uit te bouwen tot een groter werkzaam geheel, moeten nog allemaal worden opgelost. Over veel meer dan primitieve onderdelen van een moleculaire legodoos beschikken we nog niet. De nanotechnologie bevindt zich nog in de fase van de trapzeepkist waar iemand met twee kunstvleugels op gaat staan en vervolgens twee seconden in de lucht blijft. Het duurt echt nog een hele tijd voor we een echt vliegtuig kunnen bouwen."