ENGINEERINGNET.BE - De eerste met licht aangedreven moleculaire motoren zijn 25 jaar geleden ontdekt aan de Rijksuniversiteit Groningen.
De ontwikkeling hiervan leverde hoogleraar organische chemie Ben Feringa in 2016 een gedeelde Nobelprijs op. Maar het bleek niet eenvoudig om de motoren echt te laten werken.
Promovendus Jinyu Sheng verbeterde onlangs de eerste generatie moleculaire motor door de efficiëntie van het motor-molecuul te verbeteren. ‘Dat draait al wel snel rond, maar gebruikt slechts 2% van alle fotonen die het molecuul absorbeert voor de aandrijving. Ook zou een hogere efficiëntie meer controle geven over de rotatie’, aldus Sheng.
De draaibeweging van de moleculaire motor gaat in vier stappen: twee ervan vinden plaats door licht, twee door warmte. Die warmte-stappen gaan één kant op, maar de door licht aangedreven stappen veroorzaken een omkeerbare beweging.
Sheng bracht een reactieve aldehyde-groep aan in het molecuul, als eerste stap in een verdere aanpassing. ‘Ik besloot de motorfunctie van deze tussenstap ook te testen en daaruit bleek dat de efficiëntie veel hoger was dan we ooit hadden gezien.’
Hiervoor werkte hij samen met de Universiteit van Amsterdam. Met behulp van geavanceerde laserspectroscopie en kwantumchemische berekeningen werd een gedetailleerd inzicht verkregen in de werking van de moleculaire motor.
Door de aanpassing bleek Sheng meer controle te hebben over de draaibeweging van het molecuul.
Sheng: ‘Wanneer we een gewoon motor-molecuul beschijnen met licht levert dat een mengsel op van motoren die zich in verschillende fasen van de draaicyclus bevinden. Maar na de aanpassing bleek het mogelijk om alle motor-moleculen in dezelfde fase te zetten.’
Dit levert allerlei nieuwe mogelijkheden op. Je zou de motoren bijvoorbeeld kunnen gebruiken in vloeibare kristallen, waarbij verschillende posities van het molecuul zorgen voor een andere kleur van het kristal. Een andere mogelijke toepassing is om de zelfassemblage van moleculen te controleren met deze motoren.
Het toevoegen van de aldehyde-groep aan het motor-molecuul had nog een interessant effect: het verschuift de absorptie van licht door het molecuul naar een langere golflengte. Die langere golflengtes dringen gemakkelijker door in levend weefsel en in verschillende materialen.
Daarom zullen de aangepaste motoren efficiënter werken in medische toepassingen en in nieuwe materialen, omdat een groter deel van het licht de moleculaire motoren bereikt, en ze ook efficiënter gebruik maken van dat licht.
Sheng: ‘De moleculaire motor is nu veel efficiënter, maar we weten niet precies waarom de aanpassing dit effect heeft. Daar hoopt het Feringa lab ook achter te komen.’
