Neoweb.nl

Werking Moleculaire Machines zichtbaar gemaakt

0 Members and 1 Guest are viewing this topic.

Offline D.Heusden

  • *****
  • 409
  • +28/-5
  • van nanotechnologie tot ruimtevaart
Werking Moleculaire Machines zichtbaar gemaakt
« on: September 08, 2005, 07:38:23 PM »
Moleculaire machines geflitst

Onderzoekers uit Amsterdam en zijn er in geslaagd de werking van moleculaire machines in beeld te brengen. Ze 'flitsen' rotaxanen met twee zeer korte infrarode lichtpulsen en kunnen zo de vormveranderingen van de moleculaire machine direct volgen. De onderzoekersers wachten dat deze methode zal helpen bij het ontwerp van nieuwe moleculen voor de nanotechnologie.

Moleculaire machines zijn niet alleen klein, maar bewegen ook zeer snel. Dat maakt het erg lastig hun werking in beeld te brengen. Onderzoekers uit Amsterdam en Edinburgh hebben daar nu een mouw aan weten te passen. Ze 'flitsen' de moleculaire machine met twee zeer korte infrarode lichtpulsen en kunnen zo de vormveranderingen van moleculaire machines direct volgen. De onderzoekers, die verwachten dat deze methode zal helpen bij het ontwerp van nieuwe moleculen voor de nanotechnologie, publiceerden hun resultaten in de online-editie van het Amerikaanse wetenschappelijke tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Bij moleculaire machines is dat absoluut niet het geval. Het is bijvoorbeeld onbekend hoe wrijving zich manifesteert op moleculaire schaal: voor een moleculaire machine zijn de moleculen die normaliter de wrijving veroorzaken immers even groot als de machine zelf. Om meer zicht op dergelijke aspecten te krijgen willen onderzoekers de draai-, schuif- en andere bewegingen van de machines direct kunnen waarnemen. Maar dat is niet eenvoudig. Niet alleen omdat de machines zo klein zijn, maar ook omdat hun bewegingen plaatsvinden in luttele fracties van seconden. De relevante tijdseenheid is hier de microseconde (miljoenste seconde) of zelfs de picoseconde (een miljoenste van een miljoenste seconde). Op het FOM-Instituut voor Atoom en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam is nu een methode ontwikkeld waarmee deze tijdsbarriere wordt geslecht.


Laserpulsen

Sinds enkele jaren is het mogelijk om met ultrakorte pulsen uit een infrarode laser moleculaire structuurveranderingen over zeer korte tijdsbestek vast te stellen. Deze methode werd tot nu toe alleen toegepast op kleine biomoleculen. AMOLF-onderzoekers Olaf Larsen en Pavol Bodis (de laatste is tevens verbonden aan de Universiteit van Amsterdam) tonen nu samen met onderzoeksleider Sander Woutersen in de PNAS publicatie aan dat het ook mogelijk is moleculaire machines op deze manier te bestuderen. Ze werkten daarbij samen met Wybren Jan Buma (UvA) en David Leigh (University of Edinburgh).

Tegenwoordig kunnen in het laboratorium moleculen worden gemaakt die werken als minuscule machines. Zo kan men inmiddels motortjes, raderwerkjes en liftjes construeren die bestaan uit slechts één molecuul. Doordat ze zo klein zijn, is het gedrag van deze moleculaire machines totaal anders dan van de machines uit ons dagelijks leven, zoals stoommachines, fietsen of space shuttles. Omdat die machines uit het leven van alledag veel groter zijn dan de moleculen waaruit ze zijn opgebouwd, kan hun beweging goed worden beschreven zonder precies te weten wat er gebeurt op atomair niveau.

Rotaxaan nanosysteem
Onderwerp van de Amsterdamse analyse was een rotaxaan nanosysteem. Een rotaxaan bestaat uit een lange koolwaterstofketen met daaromheen een ringvormige keten. Het is daarmee in feite een klein asje met daarop een even klein wieltje met een doorsnede van ongeveeer 1 nanometer. Het wiel wordt vastgehouden op de as door middel van twee 'dopjes' aan de uiteinden (schematisch weergegeven in de figuur). Van dit soort nanosystemen wordt verwacht dat ze gebruikt kunnen worden als moleculaire schakelaars. Vorige week nog rapporteerden Groningse onderzoekers het gebruik van rotaxanen (eveneens gesynthetiseerd door de groep van David Leigh in Edinburgh) voor de verplaatsing van een zichtbare vloeistofdruppel.

Wisselwerking blootleggen
In het experiment wordt het moleculaire complex 'geflitst' met twee infrarode pulsen. Een van de pulsen is afgestemd op de trillingsfrequentie van de koolstof-zuurstofbindingen in het wiel (CO; de rode staafjes in de figuur); de andere puls is afgestemd op de trillingsfrequentie van de CO-bindingen in de as. Het experiment biedt zicht op hoe de ene CO-binding de andere beinvloedt: hun wisselwerking en hun ligging ten opzichte van elkaar wordt daarmee blootgelegd.
Met het Amsterdamse experiment wordt het nu voor het eerst mogelijk om te bekijken hoe het wieltje om het asje heen beweegt. De sluitertijd van de moleculaire flitsfoto is 1 picoseconde (een miljoenste van een miljoenste seconde) en met een aantal opnamen achter elkaar ontstaat zo een filmpje van de bewegende moleculaire machine.