Onderzoekers van UT-onderzoeksinstituut MESA+ ontwikkelen moleculaire machine op nanoschaal die meetbare krachten kunnen uitoefenen in een vloeistof. Het ontwerp van deze machines is gebaseerd op supramoleculaire buisjes, die zichzelf in elkaar zetten en die, energie afkomstig van licht on kunnen zetten naar mechanische arbeid.
De buisjes zijn geïnspireerd op de biomoleculaire structuren die moleculen transporteren in de cel. Het onderzoek is gepubliceerd in het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift PNAS.
Met de Nobelprijs voor Ben Feringa afgelopen jaar, staan moleculaire machines wereldwijd op de kaart. Deze nanoapparaatjes zetten energie om in beweging. Het is een relatief nieuw onderzoeksveld, maar in de natuur zijn moleculaire machines alomtegenwoordig. Ze zorgen bijvoorbeeld voor de samentrekking van spieren, de voortbeweging van zaadcellen en bacteriën, de celdeling en het kopiëren van DNA in de celkern.
Zelfassemblage
Vanwege de extreem kleine schaal en het gegeven dat de meeste artificiële moleculaire machines alleen in een vloeistof functioneren, is het doorgaans ondoenlijk om de arbeid die ze uitoefenen te oogsten of te meten vanwege de ‘stormachtige’ omgeving veroorzaakt door de alomtegenwoordige Brownse beweging. En dat meetbaar maken, is net wat er nodig is om ze uiteindelijk op nuttige wijze in te kunnen zetten. Tibor Kudernac, onderzoeker aan de Universiteit Twente en voormalig medewerker van Feringa, heeft zichzelf daarom tot doel gesteld om synthetische moleculaire machines te ontwikkelen, waarvan je de krachten kunt meten en nuttig kunt inzetten. Om dit te bereiken richt hij zich op de supramoleculaire chemie en dan in het bijzonder op zelfassemblage. Kudernac en zijn collega-onderzoekers ontwikkelden chemische bouwstenen, die uit zichzelf aan elkaar klonteren tot buisvormige structuren van enkele micrometers lang en enkele nanometers dik. Door deze met licht te beschijnen bouwt zich vervolgens mechanische spanning op in de structuur, net zo lang tot een drempelwaarde is overschreden en de volledige structuur abrupt uit elkaar valt en de energie wordt ontladen. Op deze manier slaagden de onderzoekers er in om lichtenergie om te zetten naar mechanische spanning die vervolgens een specifieke mechanische respons in gang zet.
Onderzoek
Het onderzoek is uitgevoerd door Jean Fredy, Alejandro Méndez-Ardoy, Supaporn Kwangmettatam, Davide Bochicchio, Benjamin Matt, Marc Stuart, Jurriaan Huskens, Nathalie Katsonis, Giovanni Pavan en Tibor Kudernac van de vakgroepen Molecular Nanofabrication en Bio-inspired and Smart Materials van UT-onderzoeksinstituut MESA+ en de University of Applied Sciences and Arts of Southern Switzerland en de Rijksuniversiteit Groningen.
