Nederlandse en Spaanse wetenschappers hebben een moleculaire schakelaar ontdekt die schakelt onder invloed van licht. Zoiets was al bekend, maar deze is veel compacter dan zijn voorgangers. Dat is handig als je met zo’n schakelaar nieuwe materialen gaat maken voor bijvoorbeeld het lokaal afgeven van een medicijn of het in gang zetten van een chemische reactie.

Read this article in English

De natuur zit vol met moleculaire schakelaars: grote moleculen die onder invloed van bijvoorbeeld licht of warmte omklappen of roteren. Het principe is de basis voor veel processen in ons eigen lichaam, zoals het samentrekken van spieren of de werking van onze ogen.

Wetenschappers zijn erg geïnteresseerd in zulke schakelaars. Niet alleen om de natuur beter te leren begrijpen, maar ook om nieuwe materialen of toepassingen te bedenken met deze minuscule mechaniekjes, zoals het gedoseerd afgeven van medicijnen in het lichaam of het in gang zetten van de katalyse van stoffen. Ook kunnen ze componenten vormen van moleculaire machines.

De Nederlandse Nobelprijswinnaar Ben Feringa (lees: ‘Ben de Bouwer Feringa’) doet al jaren onderzoek naar moleculaire motortjes (lees: ‘Nobelprijs voor Ben Feringa’). Hij is onder meer beroemd vanwege zijn moleculaire autootje.
 

Fiets

Nu is er ook een schakelaar die een fietsbeweging maakt, meldt de Universiteit van Amsterdam (persbericht). Chemici van die universiteit (van het Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences) en collega’s van de Spaanse Universidad de Murcia hebben aangetoond dat een bepaald molecuul onder invloed van licht omklapt, oftewel van de ene in de andere toestand schiet. De beweging vindt plaats in een kleine ruimte en precies die eigenschap kan heel nuttig zijn bij het bouwen van moleculaire machines die moeten werken op plekken waar niet veel bewegingsvrijheid is.

Het onderzoek wordt beschreven in een artikel in het gerenommeerde vakblad Angewandte Chemie van 12 februari, dat er zelfs de cover aan wijdde. Eerste auteur is Saeed Amirjalayer, die het werk deed bij de UvA, maar inmiddels is verbonden aan de Westfälische Wilhelms-Universität Münster.
 

De nieuwe moleculaire schakelaar wordt geactiveerd door licht en werkt dan – een beetje – als de trapas en pedalen van een fiets. Bij de nieuwe schakelaar is echter geen sprake van een volledige rotatie, maar van een heen-en-weer-beweging, zodat de benodigde ruimte voor het schakelen beperkt blijft. (Bron: UvA)


Het idee voor de nieuwe schakelaar is afkomstig van een van de Spaanse onderzoekers, hoogleraar José Berná. Die kwam met een moleculaire schakelaar gebaseerd op een zogeheten azodicarboxamide-chromofoor (een chromofoor is het deel van een molecuul dat verantwoordelijk is voor de absorptie van licht). Dit molecuul lijkt op azobenzeen, een van de meest gebruikte moleculaire componenten in licht-geschakelde materialen.
 

Driedimensionale structuur

Het voorgestelde molecuul heeft een ruimtelijke, driedimensionale structuur, in tegenstelling tot veel andere moleculen, die vlak zijn. Het vermoeden was al dat het nieuwe molecuul zou kunnen schakelen. Men wist alleen nog niet hoe.

Daar heeft het Spaans-Nederlandse onderzoeksteam nu verandering in gebracht, met een aantal meetmethodes en quantummechanische berekeningen. Eerst lieten de onderzoekers heel korte pulsen infrarood licht vallen op het materiaal. Bij een bepaalde golflengte wordt het meeste licht geabsorbeerd. Uit hoe deze golflengte verandert in de tijd is af te leiden hoe de structuur van het molecuul verandert. Deze metingen werden vervolgens bevestigd door quantummechanische berekeningen.
 

Trapas

Hieruit bleek dat het bekeken molecuul schakelt volgens een mechanisme dat een beetje vergelijkbaar is met de trapas van een fiets. De analogie gaat niet helemaal op, want je trapper gaat netjes rond, terwijl het nieuw gevonden mechanisme van de ene toestand in de andere kan schieten. ‘Twee verschillende chemische bindingen die allebei een beetje verschuiven, zorgen samen voor deze rotatie’, aldus hoogleraar Wybren Jan Buma van de Universiteit van Amsterdam.

Het meest opvallende aan deze beweging is dat de atomen die erbij betrokken zijn zich maar een klein beetje verplaatsen. Anders gezegd: het molecuul blijft min of meer op dezelfde plaats en gebruikt heel weinig ruimte bij het schakelen. Dat kan bij allerlei praktische toepassingen heel gunstig zijn, want vaak is de ruimte beperkt. Buma: ‘In een polymeer hebben moleculen bijvoorbeeld een beperkte bewegingsvrijheid.’


Ringetje

Buma en collega’s in Amsterdam willen het gevonden schakelgedrag nuttig gaan gebruiken, bijvoorbeeld om zogeheten rotaxanen (zie afbeelding rechts) in gang te zetten. ‘Dit zijn lange, draadvormige moleculen waar een ringetje omheen zit. We hopen met een schakelaar in gang te kunnen zetten dat het ringetje gaat draaien of lopen over die draad.’

De Amsterdamse onderzoekers lieten eerder al zien dat je met rotaxanen (zie illustratie hierboven) bijvoorbeeld een oppervlak kunt laten veranderen van hydrofoob (waterafstotend) in hydrofiel (waterminnend). Maar te denken valt ook aan een schakelaar die de afgifte van medicijn op commando in gang zet of een katalysator laat werken.

Openingsbeeld: een echte schakelaar. Bron: Pixabay