Motor voor moleculaire machine is grote stap voor nanotechniek /reageer

Motor voor moleculaire machine is grote stap voor nanotechniek

Wetenschappers uit Edinburgh zijn erin geslaagd een kleine motor te maken, die een machine kan aandrijven van enkele moleculen groot. Daarmee gaat een droom van de nanotechnologie in vervulling.
Het motortje loopt op licht en kan moleculen sorteren. Het sorteert op basis van ontvangen informatie en dat is een unicum voor ontworpen nanomotors. Het is gebaseerd op onderzoek naar kleinsoortige mechanieken die van nature voorkomen en die de kracht leveren voor bijvoorbeeld een proces als fotosynthese.

Nano?

Nanotechnologie is de techniek die het mogelijk moet maken te werken met deeltjes in de orde van grootte van een nanometer, één miljardste meter. Dit is de schaal van atomen en moleculen. De term werd bekend door de publicatie van Eric Drexlers boek The Engines of Creation: The coming era of nanotechnology uit 1986 dat voor het eerst dieper op de problemen en mogelijkheden inging. (Bron: Wikipedia)

De juiste vorm

Onder leiding van professor David Leigh heeft het team van de universiteit van Edinburgh een molecuul ontworpen en ook gebouwd, Rotaxane, dat deeltjes kan verplaatsen en sorteren. Drie jaar lang duurde de zoektocht naar een molecuul met een vorm die daarvoor geschikt was.
De vorm die uiteindelijk blijkt te werken is die van een handgewicht zoals gewichtheffers gebruiken: twee schijven die met een as zijn verbonden. Halverwege de as zit een zorgvuldig geplaatste bult die als een deurtje werkt als er licht op valt. Als het ‘deurtje’ open is kan een molecuul dat om de as heenhangt van de ene kant naar de andere kant. Dit molecuul werd Rotaxane gedoopt omdat het verwijst naar wiel en as: rota-axis. En daar associeert de vorm ook wel naar.
De vorm die uiteindelijk blijkt te werken is die van een handgewicht zoals gewichtheffers gebruiken“We hebben een nieuw motor-mechanisme voor een nanomachine”, zegt prof. Leigh. “Het is een mechanisme dat moleculaire machines een stap voorwaarts brengt in de realisatie van de toekomstige wereld van de nanotechnologie.”
Omdat de roxatane op een voorspelbare manier kan worden ingezet, namelijk deeltjes sorteren als het licht aan is, kan het een belangrijke bouwsteen zijn voor iedereen die dingen ontwerpt op nano-schaal.

Rotaxane

Moleculen zijn doorgaans chemisch gebonden. Maar Rotaxane is een molecuul met mechanisch aan elkaar gebonden onderdelen.
Andere moleculen met een dergelijke architectuur zijn:
- catenanes;
- molekuulknopen;
- borromean ringen.
In de natuur komen ook machanisch gebonden moleculen voor:
- cystine;
- knopen;
- cyclotides;
- lasso-peptides.
Roxatanen worden momenteel voor allerlei toepassingen bekeken.

Inspiratie

Het team van prof. Leigh houdt ervan om met moleculen te knutselen en daar toepassingen voor te verzinnen. Eerder bouwden ze een nanomachine die een waterdruppel heuvelop kon bewegen.
De researchgroep ontwikkelt simpele ideeën en concepten die liggen op het grensvlak van moleculaire, biomoleculaire en materialen-wetenschap. Ze richten zich vooral op nieuwe architectuurtypes om daarmee functies en eigenschappen van moleculen te beïnvloeden en te beheersen.

Prodrugs

Een paar jaar geleden ontdekten ze bijvoorbeeld een eenvoudige waterstofgebonden manier om molecuulringen mechanisch in elkaar te laten grijpen (catenanes). Nu richten ze zich op de toepassing van die catenanes waaronder via katalyses (met een reagent die functioneert juist dankzij een waterstofverbinding). Ook kijken ze naar toepassing in smart materials en via de genoemde roxatane-molekulen. Maar ze denken vooral aan toepassingen in de biologische chemie zoals bij peptides (een repetatieve keten aminozuren), proteine-roxatanes en prodrugs (medicijnen die pas worden ‘ingeschakeld’ als ze op de plaats van bestemming zijn in het lichaam).
Er zijn ook toepassingen op het gebied van macro-moleculen mogelijk, dat zijn mechanisch verbonden polymeren.

De grens tussen chemie, biologie en natuurkunde verdwijnt op de schaal van de nanometer. Dit maakt het gedrag van een moleculair mechaniek onvoorspelbaar. Op de nanoschaal is bijvoorbeeld alles voortdurend in beweging onder invloed van de temperatuur van de omgeving. Niet alleen trillen de eigen onderdelen harder als het warmer is, het mechaniekje als geheel wordt ook steeds aangestoten door andere moleculen en atomen (Brownian motion, bekend van het staren in een kopje thee). Alle wetmatigheden die we kennen uit ‘de meter-schaal’ zoals wrijving, hitte en de overdracht van krachten moeten voor de nanoschaal weer opnieuw benoemd worden. Daar zijn wetenschappers al mee bezig sinds het midden van de 19e eeuw.

Gedachte-experiment

De kleine motor is gedeeltelijk geïnspireerd op een gedachte-experiment van 140 jaar geleden van de natuurkundige James Clerk Maxwell.
Maxwell was een natuurkundige, ook uit Edinburgh, waarvan Albert Einstein zei: “Maxwell’s equations have had a greater impact on human history than any ten presidents.” Hij werd wereldberoemd door theoretisch electriciteit en magnetisme met elkaar te verbinden wat resulteerde in het idee van electromagnetische straling. Hij stelde dat licht ook een vorm van electromagnetsche straling is wat Einstein de basis voor zijn werk gaf. Ook fundeerde hij de kinetische theorie van gassen en vond de kleurenfoto uit op basis van de drie basiskleuren rood, groen en blauw.

2e wet van thermodynamica

Warmte kan alleen van een voorwerp met hoge temperatuur naar een voorwerp met een lagere temperatuur stromen. Anders gezegd: de entropie van een geïsoleerd systeem dat niet in evenwicht is zal altijd stijgen.

Braaf demoontje

In een wat frivolere bui mijmerde Maxwell over een raar soort wezentje dat in staat is gasmoleculen te sorteren in verschillende kamers in strijd met de 2e wet van thermodynamica. Hij noemde dit Maxwell’s Demon.
Dit gedachte-experiment heeft inmiddels al heel wat ontwikkelingen geïnspireerd. O.a. in de kwantumfysica, in de informatie en in cybernetics.

Het bijzondere is dat het demoontje handelt op basis van een eigenschap van het molecuulEn nu dus ook in de nanotechnologie. Het komt neer op een demoontje dat een deurtje open of dicht kan doen dat tussen twee kamers is geplaatst. In beide kamers zijn gasmoleculen: zowel warme als koude. De warme moleculen hebben meer energie dan de koude, ze bewegen meer en sneller. Het demoontje laat alleen bepaalde soort moleculen door zijn deurtje. Bijvoorbeeld: alleen de warme mogen van links naar rechts en alleen de koude mogen van rechts naar links. Na verloop van tijd zitten alle koude moleculen links en alle warme rechts. Het bijzondere is dat het demoontje handelt op basis van een eigenschap van het molecuul. Hij ‘weet’ dus welke warm zijn en welke koud. En hij past zijn gedrag daarop aan.

Het elegante van het demoontje is dat het geen energie onttrekt aan het systeem dat het beïnvloedt. Dit is weliswaar rechtstreeks in samenspraak met de 2e wet van de thermodynamica maar dat was nou net waar Maxwell zijn gedachtevrijheid liet zien. Allerlei uitvinders en filosofen werden gegrepen door dit gegeven omdat dat een pad is naar een perpetuum mobiel, een mechaniek dat blijft draaien zonder dat er brandstof bij hoeft. Dit is onmogelijk in de natuurkunde. Maar stel nou dat het bíjna mogelijk is? Alleen maar door een klein demoontje uit te vinden?
Helaas hebben zelfs demoontjes die alleen iets doen op basis van informatie uit een systeem toch een beetje honger.

Maxwell’s demon en computerwarmte

Dat ook informatica-demonen honger hebben werd in 1981 bewezen door een onderzoeker van IBM die quantumfysica toepaste op dataprocessen. Zijn collega stelde dat binnen een gesloten systeem een computerbewerking niet teruggedraaid kan worden als er een toename van entropie heeft plaatsgehad. (Landauers principe). Dit beinvloedde het denken over reversible computing waar chips hun warmte gaan hergebruiken om processen ongedaan te kunnen maken.

Revolutie: information-based

Om de demon uit Edinburgh te voeden wordt een externe energiebron gebruikt: licht. Een molecuul dat aan het deurtje klopt is in staat om informatie door te geven over zichzelf (positie, richting, warmte). Op basis hiervan mag hij door het deurtje bewegen zonder dat dit energie aan hem ontrekt. Dit is baanbrekend: het molecuul ondergaat een beïnvloeding die hem geen energie kost. Het is een fundamenteel nieuw type motor voor nanomachines: een mechanische motor op basis van informatie-overdracht.

Al langer keken ontwerpers van nanomachines verlekkerd naar de vorm van rotaxanes omdat die orde brengt in het gewriemel van moleculen. Als je ze om de as hangt kunnen molecuulringen nog maar twee dingen doen: heen en weer bewegen tussen de twee uiteinden en rondjes draaien rond de as (spinnen).
Steeds als ontwerpers de beweging van een molecuul aan de as probeerden te beïnvloeden deden ze dat op een mechanisme manierMaar beperkte bewegingen maken nog geen machientje. Steeds als ontwerpers de beweging van een molecuul aan de as probeerden te beïnvloeden deden ze dat op een mechanisme manier. Ze ‘duwden’ ertegen of plakten hem vast op een plek of ze sleutelden er chemisch aan. Dat kostte dan altijd energie die uiteindelijk dan ook opraakte. Of elke ring zat op een gegeven moment op zijn plek geplakt en dan was het mechaniekje ook meteen uitgewerkt. Bijna al deze mechaniekjes werken namelijk naar een toestand van natuurkundig evenwicht toe, naar een equilibrum. Het is als het mixen van siroop en water in een glas, op een gegeven moment is het limonade.

Maxwell’s demon kan limonade ‘ontmixen’ tot siroop en water door enkel naar de moleculen te kijken: is het een siroopmolecuul of een watermolecuul? Daarmee brengt hij de inhoud van het glas in niet-evenwicht en dat is een situatie waar de natuur niet zo van houdt — er gaat weer van alles stromen om het stadium van equilibrum te bereiken. En dan heb je toch al bijna een machientje dat niet uitgewerkt raakt. En dat alles op basis van informatie-overdracht in plaats van door mechanische manipulatie van individuele moleculen!

Hoe het echt werkt

De demon zit ergens op de as van het roxatane-molecuul. Hij heeft de vorm van een chemische deur, een stilbene, en deelt daarmee de as van het molecuul in twee delen. Als de deur open staat kunnen grote ringen van moleculen die aan de as hangen, macrocycles, door de deur naar de andere kant van de as. Als de deur dicht is niet. De deur heeft van zichzelf de neiging om dicht te zijn, dat is chemisch zo geprogrammeerd.
De hele as is verdeeld in een soort lounge-plekken waar een ring het fijn toeven vindt, hij zit niet aan de plek vastgeplakt maar het oefent wel een aantrekkingskracht op hem uit. Daar hangt hij het meeste rond. Sommige lounge-plekken zitten dicht bij de poort, andere niet.
De molecuulringen zijn zodanig ontworpen dat als ze een lichtstraal opvangen dat ze dan hun aanwezigheid kenbaar maken aan de poort (via een intramoleculaire energy transfer, ET).

Hun signaal zorgt ervoor dat de poort opengaat, maar slechts voor een korte periode. De ring overstemt met zijn ET het andere ET-signaal dat de stilbene de hele tijd hoort: het chemische signaal dat zegt dat hij de poort dicht moet houden. Alleen ringen die een loungeplek in de buurt van de poort hadden zullen de kans krijgen door de poort te bewegen. Ringen die verder van de poort zitten bereiken de poort niet met hun ET of bewegen niet snel genoeg om door de poort te kunnen als hij even openstaat. Hierdoor is het waarschijnlijker dat de poort opengaat voor ringen die een bepaalde richting hebben. Na een tijdje zitten er in één deel van de as dan ook meer ringen dan statistisch waarschijnlijk is als er alleen loungeplekken zijn maar geen poort. Hiermee is het systeem niet in evenwicht (equilibrium) en daarmee is het een bron van actie, natuurkundig gezien, op de schaal van één-miljardste meter.

Reageren via Facebook

Reacties

Over Xenia Bakker

Xenia Bakker is van huis uit ingenieur met een brede interesse. Ze is ook beeldend kunstenaar en houdt o.a. van pre-electrische technieken. Zo heeft ze een skin-on-frame-kayak gebouwd in Noorwegen. Zoals de Inuit deden: van hout, touw en canvas. En dan de zee op!