Nobelprijs voor Ben Feringa

Prof.dr.Ben Feringa is medewinnaar van de Nobelprijs voor de Scheikunde. Lees hier alles over zijn moleculaire motoren uit De Ingenieur van 2013.

Weer of geen weer, de Groningse nanowetenschapper prof.dr. Ben Feringa begeeft zich altijd per fiets naar zijn laboratorium. De Toyota Avensis die hij bezit, maakt weinig kilometers. Toch heeft Feringa wel degelijk een passie voor auto’s. In zijn nanolab aan de Rijksuniversiteit Groningen werkt Feringa aan een ‘auto’ van slechts een molecuul groot.

Wetenschappers hebben grote verwachtingen van die zogeheten nano-auto’s. De moleculen moeten het mogelijk maken om met extreme nauwkeurigheid medicijnen naar de juiste plaats in het menselijk lichaam te vervoeren. Ook kunnen de nanovoertuigen afzonderlijke moleculen uit een oplossing vissen of als moleculaire robots zelfstandig micro-elektronica bouwen.

Fourwheeldrive

Jarenlang zocht Feringa naar het juiste procedé om een molecuul te maken dat op commando zichzelf voortbeweegt. Eerder lukte het hem al om een aandrijvingsmechanisme voor toekomstige nano-auto’s te maken. Afgelopen jaar maakte Feringa bekend dat hij als eerste een moleculaire auto wist te bouwen die zichzelf daadwerkelijk voortbeweegt door zich met zijn wielen af te zetten tegen een ondergrond. ‘We hebben een fourwheeldrive gemaakt die rijdt op elektriciteit’, zegt Feringa.

Met een beetje goede wil is in de nano-auto ook echt een auto te herkennen. Het molecuul bestaat uit een soort chassis en vier ‘wielen’ die het geheel voortbewegen. Uiteraard vergt het bouwen van een moleculaire auto wel een heel andere benadering dan de werkwijze die Citroën, Volkswagen of Volvo hanteren.

Een echte auto bestaat al snel uit zo’n honderd quadriljard moleculen, ofwel een 1 met 29 nullen. De moleculen bepalen de eigenschappen van de materialen die ze vormen, zoals de elasticiteit van de rubberen banden, de stevigheid van het metalen chassis en de doorzichtigheid van de glazen ruiten. Het is onmogelijk om al die eigenschappen te vangen in een enkel molecuul, aangezien moleculen alleen op grote schaal gezamenlijk een eigenschap vormen. Een ‘rubbermolecuul’ is immers nog niet elastisch en een ijzerkristal is niet per definitie stabiel. Feringa maakt dan ook geen miniatuurversie van een gewone auto, maar een molecuul met roterende componenten die reageren op energietoevoer van buitenaf. Met andere woorden: een molecuul dat energie omzet in beweging.

Asymmetrisch

De moleculaire wagen zet elektrische energie om in rotatie van de ‘wielen’, die bestaan uit atomaire groepen aan de zijkant. De vier wielen zitten vast aan het chassis via dubbele koolstofbindingen, die als rotatie-as fungeren. Wanneer je daar een elektrische puls door stuurt, gaat een elektron naar een hoger energieniveau en verzwakt de koolstofbinding. Het wiel draait daardoor een kwartslag.

Nadat het aangeslagen elektron is teruggevallen, bevindt het wiel zich in een instabiele toestand, zodat het nogmaals een kwartslag maakt. Echter, die tweede kwartslag moet wel dezelfde kant opgaan, anders blijft de auto netto stilstaan. Feringa: ‘De truc is dat je het molecuul asymmetrisch maakt, zodat het een voorkeursrichting heeft.’

De nano-auto kan niet worden losgelaten op ieder willekeurig ‘wegdek’. Vooralsnog kan hij zich alleen voortbewegen op een metalen oppervlak, vanwege de benodigde energietoevoer. Ook is de auto alleen te bedwingen bij een temperatuur van net boven het absolute nulpunt (-273 °C). Moleculen staan bij die temperatuur vrijwel volledig stil. In iets warmere omstandigheden trillen de deeltjes te veel en vliegt het autootje alle kanten op.

Lichtaangedreven

Toch willen wetenschappers uiteindelijk een nano-auto bouwen die rijdt bij kamertemperatuur, omdat de moleculen dan pas geschikt zijn voor zinvolle toepassingen. Feringa richt zich daarom op de ontwikkeling van een door licht aangedreven nanovoertuig, omdat voor lichtaandrijving in principe geen lage temperatuur nodig is.

Dat is geen gemakkelijk opgave. Bij kamertemperatuur zijn moleculen veel moeilijker te beheersen – op moleculair niveau staat kamertemperatuur gelijk aan een zware aard­beving, waarbij alles heftig heen en weer schudt. Tegelijkertijd is er nauwelijks zwaartekracht om de vederlichte auto aan de grond te houden. Onderzoekers moeten dus een manier verzinnen om de auto stevig aan het wegdek te houden – maar uiteraard ook weer niet te stevig, anders komt hij niet vooruit.

Het is Feringa inmiddels al gelukt om een nanomotor bij kamertemperatuur aan te drijven met licht. Die liet hij echter in een oplossing zitten, waar de ‘extreme’ huiskamertemperatuur geen belemmering vormde. Het molecuul hoefde ook niet op een oppervlak te blijven.

Sleutelen

De vloeibare omgeving is tevens de garage waar Feringa zijn moleculen in elkaar zet. Niet ideaal, maar voorlopig is dat de best denkbare omgeving om aan de nano-auto te sleutelen. Feringa: ‘Een molecuul ontwerpen is één ding, maar het daadwerkelijk produceren is ook een hele klus. Dat zijn twintig tot dertig synthesestappen. En dan heb je niet zomaar een los molecuul, maar een hele verzameling moleculen aan elkaar geplakt. Dat is ook een probleem.’

Met Feringa’s motor probeert prof.dr. James Tour van de Rice University in Houston een zelfgemaakt nanokarretje voort te stuwen. Hij ontwierp een molecuul met p-carboranen als wielen. Die atoomclusters zijn bij benadering rond, in tegenstelling tot de ‘peddels’ van Feringa’s auto. De ronde wielen van Tour zijn echter niet in staat om het molecuul aan te drijven, zodat een extra motor nodig is.

De ideeën van Feringa en Tour voor een door licht aangedreven nano-auto zijn nu nog slechts concepten; meer onderzoek is nodig om zo’n auto op de weg te houden bij kamertemperatuur. Daarbij komt nog de moeilijkheid dat beweging alleen te observeren is als het gebeurt onder de punt van een elektronenmicroscoop (zie kader). Zo’n microscoop kan individuele atomen zichtbaar maken.

Bloedbaan

Misschien wel de meest aansprekende toepassing van nano-auto’s is dat ze medicijnen zouden afleveren precies op de plek in het lichaam waar ze nodig zijn. Op die manier voorkom je dat het hele lichaam lijdt onder een geneesmiddel, terwijl slechts een klein deel van je lijf het nodig heeft. In de bloedbaan is echter geen licht, dus zullen nano-voertuigen volgens een ander principe moeten werken dan met lichtaandrijving. ­Feringa: ‘Misschien kunnen ze op infrarood licht werken. Dat dringt van buitenaf een beet­je het lichaam in. Maar dat is niet erg praktisch.’

ONDER DE MOTORKAP

Elektriciteit
Onder invloed van een elektrisch veld beweegt een nano-auto zich voort op een koperen oppervlak. De punt van een elektronenmicroscoop stuurt via het autootje een elektrische puls naar de geleidende ondergrond. Elektronen in de wielen komen dan op een hoger energieniveau, zodat ze de dubbele koolstofbinding (de rotatie-as waarmee ze vastzitten aan de rest van het molecuul) doorbreken. De wielen draaien dan een kwartslag. Wanneer de elektronen terugvallen, zitten de wielen in een instabiele toestand en maken ze nogmaals een kwartslag. Deze aandrijving werkt alleen rond de absolute minimumtemperatuur van -273°C, wanneer de moleculen helemaal stil staan. In een iets warmere omgeving trillen ze al te veel.

Licht
Om een nano-auto in de praktijk te gebruiken, moet die ook werken los van een metalen ondergrond en bij kamertemperatuur. Dat kan met een door licht ­aangedreven auto. Nanowetenschappers hebben daarvan echter nog geen werkend exemplaar geproduceerd. Wel hebben ze ‘motormoleculen’ in een vloeistof aangedreven met licht. Een nanomotor op licht heeft de vorm van een ventilator, die twee keer een kwartslag draait elke keer dat het een foton absorbeert.

Brandstof
Een nano-auto die op de juiste plek in het lichaam medicijnen aflevert moet zich voortbewegen in een donkere bloedbaan, dus aandrijving op licht is dan niet mogelijk. Een stuwmotor die werkt op een lichaamseigen brandstof, zoals glucose, kan zo’n auto wel aansturen. Door zuurstof en water uit te stoten, duwt de motor de auto vooruit. De techniek wordt al op microschaal ontwikkeld.

 

Bij lichtaangedreven auto’s is een toepassing in de bloedbaan verre toekomstmuziek, erkent Feringa. Autootjes die functioneren bij lichaamstemperatuur zijn volgens hem vooral te zien als een eerste stap in de goede richting. Feringa sleutelt, met het oog op toepassingen in de bloedbaan, ondertussen aan grotere versies van moleculaire lichtauto’s, namelijk op microniveau. Die schaal is duizendmaal groter, maar nog steeds slechts een honderdste van de dikte van een menselijke haar. Daarbij denkt Feringa continu vooruit richting de nanoschaal. ‘We hangen bijvoorbeeld een fluorescerende atoomgroep aan de deeltjes’, zegt Feringa. ‘Zo kunnen we ze later ook op nanoschaal detecteren.’

Om apparaatjes binnen het lichaam aan te drijven, plaatst Feringa op een siliciumdeeltje een enzym dat als stuwmotor fungeert. Het enzym ontleedt waterstofperoxide tot water en zuurstof. Door die stoffen uit te stoten, duwt het enzym het deeltje vooruit als een leeg­lopende ballon. Om die techniek te laten werken in de bloedbaan, is het echter handiger om de motor op een brandstof te laten lopen die in grote mate in het lichaam aanwezig is. Feringa: ‘We hebben een extra enzym op het deeltje geplakt, dat glucose omzet in waterstofperoxide. Glucose zit in je bloed, en dient zo indirect als brandstof.’

Geen stuur

Het probleem is nu nog, ook op microschaal, dat het apparaatje zich ongecontroleerd voortbeweegt. Hoe stuur je het naar een specifieke plek in het lichaam? ‘Dat is de hamvraag,’ zegt Feringa. ‘Behalve een medicijn aanbrengen dat kan worden afgeleverd, kun je er ook een eiwit opzetten dat kankercellen herkent. Dat heeft een Amerikaanse groep onlangs voor elkaar gekregen. Als we eenmaal controle hebben over de beweging is er dus veel mogelijk. Het idee achter het onderzoek naar de nano-auto op licht is ook dat we controle willen krijgen over de beweging van een nanovoertuig te midden van de chaotisch trillende moleculen bij lichaamstemperatuur. Als we dat eenmaal in de vingers hebben, kunnen we verder bouwen aan technologieën voor bijvoorbeeld nanorobotjes in de bloedbaan, met glucose als brandstof.’

Ook Tour erkent dat er nog een lange weg te gaan is voordat de gedroomde toepassingen ook echt mogelijk worden. In de toekomst ziet hij nano-auto’s echter wel een grote rol spelen. Tour: ‘Hopelijk bouwen we ooit met nano-auto’s complete gebouwen. Maar eerst moeten we hun beweging onder controle krijgen. Vervolgens kunnen we onderzoeken of nano-auto’s moleculen kunnen transporteren, en ze vervolgens iets simpels laten fabriceren zoals een computerchip van vijftig atomen. Tegen die tijd zijn we vier decennia verder en ben ik in de 90, maar daar hoop ik hoe dan ook nog aan bij te dragen.’

Feringa beaamt dat de weg naar een wereld vol nano-auto’s nog ver is. ‘Het zal zeker nog een tijd duren,’ zegt Feringa, ‘maar het is absoluut geen sciencefiction dat we nano-auto’s praktisch gaan toepassen. En ook al hebben we er nu weinig aan, als je niet eerst de fundamentele principes blootlegt, kom je nergens.’