AMSTRDAM, 30 augustus 2013 21:53

Water blijkt ideaal smeermiddel voor nanomachines

Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam hebben ontdekt dat machines van slechts een molecuul groot veel sneller bewegen als je 'smeermiddel' toevoegt aan hun omgeving. Verrassend genoeg blijkt water verreweg het beste te smeren.

FOM-promovendus Matthijs Panman en zijn collega's bepaalden de bewegingssnelheid van twee nanomachines: minuscule machines van slechts één enkel molecuul groot. Ze bekeken een moleculair wiel en een door licht aangedreven moleculaire motor. Beide machines bestaan uit slechts enkele tientallen atomen, en zijn ongeveer een miljardste meter groot.

Gesmeerde beweging

Om de moleculaire machines te bekijken, gebruikten de onderzoekers geavanceerde fysische technieken (kernspinresonantie en ultrasnelle lasers). Tijdens het onderzoek zweefden de machines rond in een organisch oplosmiddel (acetonitril). De onderzoekers ontdekten dat als je aan dit oplosmiddel een kleine hoeveelheid water toevoegt, de moleculaire machines veel sneller gaan bewegen. Drie procent water blijkt al genoeg 'smeermiddel' om de beweging meer dan twee keer zo snel te maken.
De onderzoekers voegden ook andere stoffen toe, maar hoe minder de toegevoegde stof op water lijkt, hoe minder goed zijn smerende werking is. Butanol, dat qua eigenschappen tussen water en smeerolie in zit, maakt de beweging zelfs langzamer.

Gebroken bruggen

Het is nog niet helemaal duidelijk waarom water zo'n goed smeermiddel is voor de onderzochte nanomachines. Waarschijnlijk heeft de smerende werking te maken met de waterstofbruggen (zwakke bindingen) tussen de groepjes atomen die de twee ten opzichte van elkaar bewegende delen van deze machines vormen.
Om de machine te laten bewegen moeten deze waterstofbruggen tijdelijk openbreken. Dat gaat niet gemakkelijk: normaal gesproken zullen de twee losgeraakte helften van een gebroken waterstofbrug elkaar snel weer 'vastgrijpen', waardoor de machine niet snel in beweging komt. Wanneer water aanwezig is, kunnen de brughelften echter nieuwe waterstofbruggen vormen met de watermoleculen, in plaats van met elkaar. Daardoor blijven de waterstofbruggen tussen de beweegbare delen van de machine langer gebroken - de interne wrijving van de moleculaire machine vermindert en de beweging versnelt.
Watermoleculen hebben een geringe grootte, grote beweeglijkheid en ze vormen makkelijk waterstofbruggen. Daardoor zijn ze waarschijnlijk de ideale kandidaat om de machine te versnellen.

Toeval

De experimenten zijn begonnen toen de onderzoekers merkten dat de moleculaire motoren met net wat verschillende snelheden bewogen, afhankelijk van de fles oplosmiddel die in het experiment gebruikt was. Al gauw bleek dat te komen door spoortjes water in het oplosmiddel. Als je een fles oplosmiddel een paar keer opent, lost er geleidelijk aan een heel klein beetje water uit de lucht in op. In sommige flessen was iets meer water terechtgekomen dan in andere, wat het verschil in snelheid veroorzaakte. Door meer water toe te voegen, wisten de onderzoekers het effect te versterken.
De vondst is van belang bij het ontwerpen en optimaliseren van nieuwe nanomachines. De potentiële toepassingen van dergelijke machines variëren van moleculaire computers tot oppervlakken met schakelbare eigenschappen. Daarnaast komen waterstofbruggen ook voor in natuurlijke, biologische moleculaire machines, waarbij water wellicht ook een smerende rol speelt.

Het onderzoek verschijnt op 1 september 2013 in Nature Chemistry. Voor een preprint van het artikel, zie  http://www.science.uva.nl/trvs/preprint_nchem.pdf, Na 1 september, 19.00 uur: DOI10.1038/nchem.1744

Foto's:

smeermiddel

Een moleculaire motor die is gesmeerd door water. Dit molecuul bestaat uit een ring die over een draad kan schuiven. Als het molecuul licht absorbeert, schuift de ring van de ene naar de andere kant van de draad. Zo wordt lichtenergie omgezet in bewegingsenergie (vergelijkbaar met een zuiger in een benzinemotor). Door een klein beetje water toe te voegen aan het oplosmiddel waarin de motor zich bevindt, verschuift de ring meer dan twee keer zo snel.

© Aandrijvenenbesturen.nl