Gepubliceerd op 4 juni 2010
Beweging van moleculaire machine blijkt oneerlijk gokspelletje
Gepubliceerd op 4 juni 2010
Onderzoekers van de de Universiteit van Amsterdam (UvA) en de stichting
voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) zijn er in geslaagd de
beweging van een moleculaire zuiger in detail te bestuderen. Het gedrag
van deze motor, bestaande uit slechts één molecuul, blijkt totaal
anders dan van een motor of zuiger op alledaags formaat. De bewegingen
zijn volkomen onvoorspelbaar en goed te beschrijven met een theorie uit
de zeventiende eeuw die oorspronkelijk voor gokspelletjes is bedacht.
Maar in de moleculaire motor wordt een klein beetje vals
gespeeld... De onderzoeksresultaten zijn op vrijdag 4 juni gepubliceerd
in het wetenschappelijke tijdschrift 'Science'.
Het is tegenwoordig mogelijk om moleculen te maken die functioneren als
minuscule machientjes. Onderzoekers kunnen motortjes, liftjes en
draaideurtjes maken die bestaan uit slechts één enkel molecuul. De
potentiële toepassingen van zulke moleculaire machines zijn vrijwel
onbegrensd en variëren van moleculaire computers tot oppervlakken met
schakelbare eigenschappen. Uiterlijk lijken moleculaire machines
precies op de (in verhouding reusachtige) machines uit ons dagelijks
leven. Maar gedragen ze zich ook hetzelfde?
Licht als brandstof
Om dat te onderzoeken bestudeerden onderzoekers van de UvA en
FOM zogenoemde rotaxanen. Deze moleculen bestaan uit een ring die over
een relatief lange draad (een paar nanometer, miljardsten van een
meter) van koolstofatomen kan voortbewegen. Op de koolstofdraad
bevinden zich twee verschillende ankerpunten (stations) waaraan de ring
zich kan binden.
Om de ring van het ene naar het andere station te laten bewegen,
beschieten de onderzoekers de rotaxanen met een ultraviolette
laserpuls. Het ultraviolette licht fungeert hierbij in feite als de
brandstof van de moleculaire motor. De beweging van de ring wordt
waargenomen met een infrarode puls, die iets vertraagd is ten opzichte
van het ultraviolette startschot. Het infrarode licht wordt anders
geabsorbeerd afhankelijk van waar de ring zich op de draad bevindt.
Hierdoor geeft een reeks metingen met toenemende vertraging van de
infrarode puls een nauwkeurig beeld van zowel het vertrek als de
aankomst van de bewegende ring.
Dronkenman
De metingen laten zien dat de ring zich als een dronkenman tussen de
begin- en eindpositie beweegt; stapjes naar voren en terug wisselen
elkaar op onvoorspelbare momenten af. Totaal anders dus dan de soepele
beweging van een zuiger in een automotor. Uiteindelijk komt de ring op
zijn eindpositie tot stilstand, maar het is op het moment van vertrek
volkomen onzeker hoe lang dit voor een individuele moleculaire machine
zal gaan duren.
De wiskunde om dit kansproces te beschrijven is precies dezelfde als
die van een gokspelletje waarin twee spelers telkens een
kop-of-muntweddenschap houden, totdat een van de spelers blut is. Bij
kop doet de ring een stap vooruit, bij munt één achteruit. De formules
hiervoor werden al in de zeventiende eeuw afgeleid door de Nederlandse
wetenschapper Christiaan Huygens. Alleen blijkt dat in dit geval met
het muntje is gesjoemeld. De kans om voor- of achteruit te bewegen is
niet precies gelijk, al is het verschil maar een paar procent. De
mogelijkheid hiervoor had Huygens al in zijn wiskunde ingebouwd, en met
die aanpassing worden de metingen nauwkeurig beschreven door het
kop-of-muntspel. Wellicht dat door vals te spelen de moleculaire
machines alsnog onder controle kunnen worden gebracht...
Publicatiegegevens
Matthijs R. Panman, Pavol Bodis, Daniel J. Shaw, Bert H. Bakker, Arthur
C. Newton, Euan R. Kay, Albert M. Brouwer, Wybren Jan Buma, David A.
Leigh en Sander Woutersen: 'Operation mechanism of a molecular machine
revealed using time-resolved vibrational spectroscopy', Science, 4 juni
2010
Voor meer informatie of het volledige artikel kunt u contact opnemen
met dr. Sander Woutersen (UvA), e-mail: s.woutersen@uva.nl.
Verwijzingen
Meer informatie
Bron: UvA Persvoorlichting / stichting FOM
Universiteit van Amsterdam