Moleculaire motor heeft niemand nodig om te draaien

Scheikunde Delftse onderzoekers maakten een moleculaire machine van stukjes dna, tienduizend keer dunner dan een haar. De motor kan zelfstandig draaien als er vloeistof langs stroomt.

Impressie van de moleculaire motor van 450 nanometer lang. Eén nanometer is een miljoenste millimeter.
Impressie van de moleculaire motor van 450 nanometer lang. Eén nanometer is een miljoenste millimeter. Illustratie Cees Dekker Lab/SciXel

Een op windmolens geïnspireerde moleculaire motor kan zelfstandig draaien, aangedreven door een vloeistofstroom. Een Delftse onderzoeksgroep bouwde een motortje van 450 nanometer lang en 8 nanometer dun – ruim tienduizend keer dunner dan een haar. Het is de eerste moleculaire motor die door een vloeistofstroom in beweging komt. De onderzoekers publiceerden donderdag over hun moleculaire machine in Nature Physics.

Het motortje dat de Delftenaren ontwierpen, heeft de vorm van de wieken van een windmolen. Wanneer een stevige vloeistofstroom ertegenaan beweegt, duwt het tegen de wieken en beginnen ze te draaien. Voorheen kon men een moleculaire motor alleen zelf handmatig in gang zetten, met lichtpulsen of elektriciteit. Maar de nieuwe motor heeft niemand nodig: onder de juiste omstandigheden draait die uit zichzelf, met tien omwentelingen per seconde.

De onderzoekers maakten een gaatje van vijftig nanometer groot in een dun membraan. Ze zetten een vloeistofstroom in gang door een ‘zoutgradiënt’ over het membraan te plaatsen. Als de binnenkant van het membraan veel zouter is dan de buitenkant, zal een waterstroom naar binnen bewegen tot de zoutverdeling weer gelijk is. Dat is simpelweg te danken aan de wetten van de natuur – of preciezer, van de thermodynamica. Het motortje vult precies het gat in het membraan op. Door de zoutgradiënt komt de vloeistof in beweging, gaan de wieken draaien en treedt de moleculaire machine in werking.

Bijna een dubbele primeur

Het scheelde niet veel, of de Delftenaren hadden een dubbele primeur te pakken. Niet alleen is dit de eerste motor die op vloeistofstromen draait, maar ook is de motor gemaakt van dna-origami. Dat is een techniek waarmee chemici heel precies stukjes dna op elkaar kunnen plakken om minuscule bouwwerkjes te maken. Het is de tweede moleculaire motor gemaakt van dna ooit: slechts enkele weken geleden publiceerde een Duitse onderzoeksgroep in Nature over de allereerste. „Onze twee papers werden op exact dezelfde dag naar Nature opgestuurd”, zegt Cees Dekker erover. Hij is hoogleraar moleculaire biofysica aan de TU Delft, en begeleider van de studie. „We hoopten gezamenlijk te publiceren, maar dat liep niet zoals gepland. Ach, zo loopt het soms.”

Het vakgebied van moleculaire machinerie valt op door de torenhoge verwachtingen, terwijl het onderzoek nog vrijwel volledig fundamenteel is. Die verwachtingen werden in 2016 onderstreept met een Nobelprijs, die onder andere de Nederlandse chemicus Ben Feringa in ontvangst nam. De winnaars bouwden een van de eerste werkende machines: motortjes die beginnen te draaien als er licht op schijnt of een elektrisch stroompje loopt. Feringa bouwde zelfs een moleculaire auto, met draaiende wielen.

Vooralsnog is het onduidelijk wat de toegevoegde waarde van bewegende moleculen gaat zijn, maar chemici trekken graag de vergelijking met de industriële revolutie. Toen mensen op macroschaal machines gingen bouwen, veranderde de wereld. Zo’n industriële revolutie is ook binnen de scheikunde aanstaande, verwachten zij.

Van grote waarde

Daarnaast bestaat er al concreet bewijs dat moleculaire machines van grote waarde kunnen zijn, zegt Dekker. „In ons lichaam zitten biochemische motortjes op nanoschaal, dat is in zekere zin een bewijs dat het werkt. Op die nanoschaal gebeurt het in de biologie allemaal: interactie tussen moleculen. Maar het ontwikkelen van een nanomotor voelt nog een beetje als het uitvinden van het wiel. Het is een evidente basisbouwsteen, maar het is niet direct duidelijk voor welke apparaten het in de toekomst heel belangrijk gaat worden.”

„Dit werk is weer een nieuwe mijlpaal in de zeer succesvolle geschiedenis van nanotechnologie”, zegt Andreas Herrmann. Hij is hoogleraar macromoleculaire materialen en systemen aan de technische universiteit van Aken. „Dit is het eerste voorbeeld van een kunstmatige roterende machine bínnen in een dun membraan. In de natuur zijn zulke draaiende moleculaire machines heel belangrijk voor bijvoorbeeld de beweging van bacteriën of de productie van brandstof in een cel. Het is een grote prestatie om zelf een vergelijkbare machine te maken.”

„Op dit moment zijn de machines nog kleine radertjes die energie omzetten in mechanische beweging”, vervolgt hij. „Als het team zo succesvol blijft samenwerken, zouden ze die kunnen koppelen aan chemische productie van waardevolle moleculen, precies zoals in de natuur gebeurt bij het maken van brandstof in cellen. Misschien is het mogelijk om zulke reacties aan te drijven met zoetwater en zeewater, afgescheiden door een membraan.”