Amsterdamse chemici maken moleculaire fietsaandrijving

Nieuwe schakelaars voor moleculaire machines in krappe ruimtes

7 februari 2018

Moleculaire autootjes zijn al langer bekend, maar wetenschappers van het Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) aan de Universiteit van Amsterdam en van de Universiteit van Murcia hebben nu een molecuul gesynthetiseerd dat met behulp van lichtenergie kan bewegen als de trapas en pedalen van een fiets. Deze nieuwe moleculaire schakelaar gebruikt een minimum aan ruimte en maakt daarmee de weg vrij voor moleculaire machines die onder omstandigheden werken waarin ruimte een beperkende factor is.

Het onderzoek staat in de eerstvolgende print-editie van het gerenommeerde chemisch-wetenschappelijke tijdschrift Angewandte Chemie International Edition (publicatiedatum 12 februari). De paginagrote illustratie op de omslag illustreert het belang van het werk.

Schakelen met weinig ruimte

Moleculen waarvan de ruimtelijke structuur verandert onder invloed van licht, zijn belangrijke bouwstenen voor licht-aangedreven moleculaire nanotechnologie. Een groot nadeel van de nu beschikbare moleculaire schakelaars is dat ze relatief veel ruimte nodig hebben om van de ene naar de andere structuur over te gaan. Een typische voorbeeld zijn moleculen waarin isomerisatie van een dubbele binding optreedt, zoals bij de moleculaire rotors van Nobellaureaat Ben Feringa. Bij veel praktische toepassingen, zoals bijvoorbeeld binnen de katalyse, bij het gecontroleerd toedienen van medicijnen op moleculaire schaal, of op het gebied van moleculaire computers is er simpelweg niet genoeg ruimte voor dergelijke grootschalige bewegingen. Het is daarom van groot belang voor dit snel opkomende onderzoeksveld dat er nieuwe moleculen komen die bij het schakelen een minimum hoeveelheid ruimte gebruiken. 

Bij activering met licht werkt de nieuwe moleculaire schakelaar als de trapas en pedalen van een fiets. Daarbij is echter geen sprake van een volledige rotatie, maar van een heen-en-weer beweging, zodat de benodigde ruimte voor het schakelen beperkt blijft. Beeld: HIMS.

Nieuwe schakelaars

Prof. Jose Berna van de University of Murcia in Spanje heeft onlangs een nieuwe klasse van moleculaire schakelaars voorgesteld die gebaseerd zijn op de azodicarboxamide chromofoor (het deel van een molecuul dat interactie met licht vertoont). Deze chromofoor is afgeleid van het azo-gedeelte van azobenzeen, één van de meest gebruikte moleculaire componenten in licht-geschakelde materialen. In tegenstelling tot azobenzeen zijn deze nieuwe systemen niet langer vlak, en daarom was de verwachting dat ze onder invloed van licht ook op een heel andere manier van de ene naar de andere structuur zouden overgaan. Tot nu toe was het echter nog niet mogelijk om de bewegingen van de verschillende onderdelen van de schakelaars ten opzichte van elkaar daadwerkelijk te kunnen volgen.

Moleculaire trappers aangezwengeld door licht

Om te bepalen hoe de azodicarboxamide-gebaseerde moleculaire schakelaars precies werken, bepaalde Dr Saeed Amirjalayer* aan de Universiteit van Amsterdam de trillingsfrequenties van de schakelaar met behulp van extreem korte pulsen infrarood licht (met een duur van minder dan een miljoenste van een miljoenste van een seconde). Deze frequenties vormen als het ware een vingerafdruk van de ruimtelijke structuur. Zo leveren ze de mogelijkheid om precies vast te stellen hoe de structuur van het molecuul verandert als het door licht geactiveerd wordt.

Lewis-structuur van de azodicarboxamide functionele groep (links) en een bal & stok representatie van tetramethylazodicarboxamide (midden) en tetrabenzylazodicarboxamide (rechts) (kleur codering: C: zwart, O: roof, N: blauw, H: wit). De fotoactieve eenheid is in de Lewis-structuur met blauw aangegeven, de mogelijke plaatsen waar een waterstofbrug gevormd kan worden in rood. De laatsten vormen verankeringspunten naar de moleculaire omgeving en maken het mogelijk om het schakelen op moleculaire schaal over te brengen naar een macroscopische schaal. Beeld: HIMS.

Uit de metingen bleek dat het schakel-mechanisme inderdaad compleet anders is dan dat van de 'standaard' moleculaire schakelaars. In plaats van een grootschalige rotatie rond één binding, bewegen de nieuwe moleculen zoals de trapas en pedalen van een fiets. Daarbij is echter geen sprake van een volledige rotatie, maar van een heen-en-weer beweging. Gebruik makend van geavanceerde quantumchemische berekeningen werd duidelijk dat het schakelgedeelte plat wordt als het licht absorbeert, en weer terug-zwengelt bij terugkeer naar de grondtoestand.

Nieuwe mogelijkheden voor nieuwe schakelaars

De meest opvallende karakteristiek van deze pedaal-beweging is dat deze gepaard gaat met een minimale verplaatsing van de atomen die betrokken zijn bij de beweging. Het molecuul blijft dus min of meer op dezelfde plaats en gebruikt heel weinig ruimte bij het schakelen. Dit biedt nieuwe mogelijkheden voor toepassingen waar bewegingen op moleculaire schaal fors beperkt worden zoals in de vaste stof, op oppervlakken of bij het inbouwen in een polymeer.

* Saeed Amirjalayer is tegenwoordig werkzaam als groepsleider aan de Universiteit van Münster in Duitsland.

Publicatie 

Saeed Amirjalayer, Alberto Martinez-Cuezva, Jose Berna, Sander Woutersen, and Wybren Jan Buma: Photo-induced pedalo-type motion in an azodicarboxamide-based molecular switch. Angewandte Chemie International Edition, 2018; DOI: 10.1002/anie.201709666.

Cover illustratie: DOI 10.1002/anie.201800060.

Gepubliceerd door  HIMS