Nanodeeltjes brengen toepassing moleculaire motoren dichterbij
Via 'upconversie': de omzetting van IR- naar blauw en uv-licht
Samen met de onderzoeksgroep van RUG-hoogleraar Ben Feringa hebben zijn collega’s prof. Hong Zhang en dr. Kefan Wu van het Van ’t Hoff Institute for Molecular Sciences van Universiteit van Amsterdam nanodeeltjes ontwikkeld waarmee moleculaire motoren zijn aan te drijven met infrarood licht.
Moleculaire motoren
De nanodeeltjes zetten infrarode straling, die ver kan doordringen in materialen, om in blauw of ultraviolet licht dat geschikt is om moleculaire motoren te laten draaien. Daardoor wordt het mogelijk deze motoren te gebruiken om materialen lichtgevoelig te maken, of om moleculaire schakelaars om te zetten in biologische systemen.
De resultaten zijn vorige maand gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society.
De nanodeeltjes lossen een probleem op voor de toepassing van door licht aangedreven moleculaire motoren: de meest effectieve manier om die te laten draaien is met blauw of ultraviolet licht. Maar dat dringt niet diep door in dikke materialen of biologische weefsels, waardoor moleculaire motoren niet effectief worden aangedreven. Bovendien kan ultraviolette straling schadelijk zijn.
Het is mogelijk om de motoren gevoelig te maken voor infrarood licht, dat dieper doordringt en nauwelijks schadelijk is. Maar daarvoor moeten die motoren wel worden aangepast met allerlei extra moleculaire groepen, waardoor ze moeilijker te maken zijn. Bovendien is directe aandrijving met infrarood licht doorgaans weinig efficiënt.
Een efficiënte omzetting
In hun gezamenlijke publicatie beschrijven de onderzoekers van de RUG en de UvA een nieuwe strategie om moleculaire motoren op een efficiënte manier te laten draaien op infrarood licht.
Deze is gebaseerd op de expertise van prof. Hong Zang in het maken van nanodeeltjes die in staat zijn de stralingsenergie van licht efficiënt om te zetten, een proces dat ‘upconversie’ heet.
De nu ontwikkelde deeltjes bestaan uit natrium-ytrrium-fluoride en bevatten verschillende ionen uit de klasse van de zeldzame aarden, waardoor ze infraroodlicht kunnen ‘opwaarderen’ tot ultraviolet of zichtbaar licht. Het licht van de deeltjes zorgt voor rotatie van de moleculaire motoren in één richting, net als bij direct gebruik van ultraviolet licht en bijna net zo efficiënt.
De onderzoekers voerden meerdere experimenten uit die duidelijk aantoonden dat upconversie een geschikte strategie is om uv-licht te vervangen door het minder schadelijke infrarode licht. Dit is vooral belangrijk bij gebruik in biologische systemen waar licht diep in moet doordringen zonder schade te veroorzaken, maar ook in vaste materialen. Dankzij de nanodeeltjes is het bovendien niet nodig om ingewikkelde aanpassingen te maken aan de motormoleculen. Volgens de onderzoekers biedt hun nieuwe aanpak een breed toepasbare oplossing voor het aandrijven van moleculaire motoren met infrarood licht. Dat brengt hun toepassing in dynamische en slimme materialen dichterbij, vooral in biologische systemen.
Bron: Rijksuniversiteit Groningen
Meer over moleculaire motoren
De nanomachines van het leven en de toekomst
Moleculaire motoren zijn de piepkleine machines die ons leven draaiende houden. In elke cel zetten ze chemische energie om in beweging en kracht. Zonder hen zouden cellen hun interne orde verliezen en zouden processen zoals transport, celdeling en spiercontractie onmogelijk zijn.
De krachtpatsers van de natuur
In levende organismen bestaan verschillende soorten moleculaire motoren. Kinesine en dyneïne vervoeren ladingen zoals blaasjes en organellen langs het cytoskelet. Myosine zorgt niet alleen voor transport, maar ook voor spiercontracties. Samen vormen ze de logistieke infrastructuur van het leven: alles beweegt op de juiste plaats, op het juiste moment.
Van biologie naar technologie
De natuur inspireert onderzoekers al decennia. In 2016 kreeg Ben Feringa de Nobelprijs voor de scheikunde voor het ontwikkelen van de eerste kunstmatige moleculaire motor. In tegenstelling tot de biologische varianten zijn deze nog eenvoudig, maar ze kunnen al draaien of bewegen onder invloed van licht of chemische prikkels.
Toepassingen in zicht
De mogelijkheden zijn indrukwekkend:
- Gerichte medicijnafgifte waarbij nanomotoren medicijnen exact naar een tumor brengen.
- Slimme nanorobots die in het lichaam reparaties uitvoeren of ziektes opsporen.
- Zelfassemblerende materialen en coatings die van eigenschappen veranderen bij licht of stroom.
- Nanoschakelaars en rotors die de basis vormen van toekomstige moleculaire elektronica.
Een blik vooruit
Hoewel kunstmatige moleculaire motoren nog in hun kinderschoenen staan, wijzen de eerste successen op een toekomst waarin geneeskunde, nanotechnologie en materialenwetenschap ingrijpend veranderen. Wat in de natuur al miljoenen jaren vanzelfsprekend is, kan binnenkort onze technologie naar een compleet nieuw niveau tillen.
