Nature publicatie: Groningse chemici construeren een elektrisch aangedreven nanovoertuig

Met de kop Nanomotoring, test-driving a molecular four-wheeler vraagt de cover van het wetenschappelijk tijdschrift Nature deze week aandacht voor een artikel van de Groningse chemicus Ben Feringa en zijn onderzoeksgroep. Daarin wordt een molecuul beschreven dat er inderdaad uitziet als een autootje met vierwielaandrijving, maar ook doet denken aan een wonderlijk insect dat zich met vier peddelpoten  voortbeweegt. De aandrijving gebeurt door middel van elektrische energie afkomstig uit de tip van een Scanning Tunnel Microscope (STM).

Feringa maakt met deze publicatie een belofte waar, die hij deed toen hij in 2004 de Spinoza-premie van NWO ontving. In 1999 vond hij een door licht aangedreven moleculaire motor uit. Een spectaculaire vondst, die wereldwijd de aandacht trok. Een doel dat hij met het Spinoza-geld en met een latere ERC-grant wilde bereiken, was het toepassen van deze motor bij het aandrijven van een moleculair voertuig. Dit voertuig zou een gecontroleerde beweging over een oppervlakte moeten kunnen uitvoeren.

Motor als wiel

De moleculaire motor uit ’99 bestaat uit twee delen; een vast, stilstaand gedeelte dat als anker kan dienen en een in één richting roterend deel, dat als schroef of propeller zou kunnen functioneren. Het idee dat men erbij kreeg, was dat het molecuul als een soort buitenmotor aan een groter geheel zou worden bevestigd.

In het nano-voertuig dat nu in Nature staat beschreven, wordt de motor echter als wiel gebruikt. Het nieuwe molecuul bestaat uit een langwerpig middenstuk met aan de uithoeken vier roterende wielen. Of misschien kan men ze beter peddels noemen, want helemaal rond zijn deze uiteinden niet. Het molecuul beweegt zich dan ook enigszins hobbelend voort.

Bovenleiding

Het vierwielig molecuul ontvangt de energie nodig voor voortbeweging uit een STM-tip, die als een soort bovenleiding fungeert. Een STM (scanning tunnel microscoop) tast met een scherpgepunt draadje een oppervlakte af zonder dat er direct ‘fysiek’ contact is; het allerlaatste stukje wordt met elektrische spanning overbrugd.
De energie ‘tunnelt’ uit de STM-tip het molecuul in. Dat komt daardoor in een hogere energietoestand, met als gevolg dat de wielen in stapjes gaan ronddraaien; een proces dat analoog is aan energieoverdracht door licht-fotonen.

Verkeerd draaiende wielen

In het Nature-artikel is op STM-opnamen te zien hoe het molecuul zich voortbeweegt over een oppervlak van koper. Na tien stappen heeft het een afstand van 6 nanometer afgelegd in een min of meer rechte lijn. Om aan te tonen dat het inderdaad de wielen zijn die voor voortbeweging zorgen, laten de onderzoekers in aanvullende experimenten zien wat er gebeurt als de wielen in een verkeerde richting draaien. De chemici onderzochten moleculen waarin de achterwielen tegengesteld aan de voorwielen draaien, of de linkerwielen naar achter en de rechter- naar voren draaien of omgekeerd. De bewegingen die dan te zien zijn, corresponderen precies met wat men verwacht; het molecuul verandert niet of nauwelijks van positie, of zigzagt wat rond.

Bewijs

Die laatste experimenten bevestigen duidelijk dat de bewegingen van het molecuul veroorzaakt worden door het ronddraaien van de wielen, stellen de onderzoekers in hun conclusie. Misschien dat snelheid en performance nog niet erg indrukwekkend zijn, maar het bewijs is geleverd: een enkel molecuul met intrinsieke motorfuncties is in staat energietoevoer van buiten om te zetten in een beweging in één richting over een oppervlak.

Curriculum

Prof. dr. B.L. Feringa, hoogleraar synthetische organische chemie, is in 2004 onderscheiden met de NWO Spinozapremie, de hoogste wetenschappelijke onderscheiding in Nederland. In 2008 werd hij door de KNAW benoemd tot Akademiehoogleraar en kreeg hij een Advanced Grant van de European Research Council (ERC) voor het project ‘Molecular Motors - Controlling movement at the nanoscale’. Sinds juni 2011 is hij vicepresident van de KNAW.

Meer informatie: prof. dr. B.L. Feringa

Zie ook: filmpje waarin de beweging wordt gedemonstreerd met een molecuulmodel of bekijk het filmpje op YouTube

Referentie: Electrically-driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surface, Tibor Kudernac, Nopporn Ruangsupapichat, Manfred Parschau, Beatriz Maciá, Nathalie Katsonis, Syuzanna R. Harutyunyan, Karl-Heinz Ernst & Ben L. Feringa. Nature, 10 nov 2011.

DOI: 10.1038/nature10587