ENGINEERINGNET.BE - "Draaiende motoren, aangedreven door stroming, komen veel voor in biologische cellen. Een voorbeeld is FoF1-ATP synthase, die brandstof produceert die cellen nodig hebben om te werken. Tot nu toe bleef de kunstmatige constructie op nanoschaal echter ongrijpbaar", zegt dr. Xin Shi van TU Delft.
"Onze stromingsgedreven nanoturbine is gemaakt van DNA-materiaal. De structuur wordt geplaatst op een nanogaatje, een minuscule opening in een dun membraan. De DNA-bundel van slechts 7 nanometer dikte organiseert zichzelf vervolgens door middel van een elektrisch veld tot een soort van turbine. Deze rotor maakt meer dan 10 omwentelingen per seconde", aldus Shi.
"Al 7 jaar proberen we dergelijke roterende nanomotoren kunstmatig op te bouwen. We gebruiken een techniek die DNA origami heet, in samenwerking met het lab van Hendrik Dietz van TU München", zegt prof. dr. Cees Dekker.
Deze techniek maakt gebruik van interacties tussen complementaire DNA basenparen om 2D- en 3D-nano-objecten te bouwen. De nanomotoren halen hun energie uit een water- en ionenstroom die tot stand komt door een elektrische spanning of door verschillende zoutconcentraties aan de twee zijden van het membraan.
Toen de onderzoekers de rotaties voor het eerst zagen, stonden ze voor een raadsel: hoe konden eenvoudige DNA-staafjes zulke mooie, constante rotaties vertonen?
In overleg met theoreticus Ramin Golestanian en zijn team van het Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization in Göttingen werd de puzzel opgelost. Zij modelleerden het systeem en onthulden het zelf-organisatieproces waarbij de DNA-bundels vervormen tot spiraalvormige motoren, die zich verbinden aan de vloeistofstroming door het nanogaatje.
De techniek en het fysische mechanisme erachter geven een nieuwe richting aan het bouwen van synthetische nanomotoren die door stroming worden gedreven, een nog onontgonnen gebied voor wetenschappers en ingenieurs.
In een volgende stap hebben de onderzoekers de eerste rationeel ontworpen turbine op nanoschaal ontworpen.
"We zijn nu al in staat om Nederlandse windmolens na te bouwen, maar dan met een grootte van slechts 25 nanometer", zegt Shi, "En we hebben aangetoond dat ze arbeid kunnen verrichten." Daarbij kon de draairichting worden ingesteld door de ontworpen spiraalrichting: linkshandige turbines draaiden met de klok mee; rechtshandige draaiden tegen de klok in.
Shi: "De mogelijkheden van deze moleculaire nanomotoren zijn eindeloos, maar er is nog veel werk te doen."
