Onderzoekers van de Technische Universität München (TUM) zijn er in geslaagd om staafvormige moleculen er toe te brengen, zichzelf samen te stellen tot rotoren van enkele nano-meters groot. De minuscule systemen dienen voor het onderzoek naar krachten, waaraan moleculen worden blootgesteld op opper-vlakken en in kooien. Het is de onderzoekers gelukt om staafvormige moleculen zodanig op te sluiten in een tweedimensionaal netwerk, dat ze zelf kleine rotoren vormen, die ronddraaien in een honingraat vormige kooi.
De natuur vormt het voorbeeld voor zichzelf organiserende systemen. Proteïnen brengen de reactanten zodanig nabij, dat er reacties ontstaan die zonder deze fusie niet mogelijk zouden zijn. Ook de mens gebruikt zulke effecten, bijvoorbeeld in katalysatoren, waar aan de oppervlakte reactie-partners elkaar vinden. Maar de grote droom, om zelforganiserende effecten zodanig te benutten dat zich vanzelf nanomachines vormen, is nog ver weg.
De aan de TUM ontwikkelde rotoren zijn een succesvolle stap in de goede richting. Eerst bouwden de natuurkundigen een reusachtig nano netwerkop, doordat zij kobalt-atomen en een stervormig molecuul (sexiphenyl-dicarbonitril) op een ondergrond van zilver met elkaar lieten reageren. Hierdoor ontstaat een groot honingraat-achtig netwerk, dat een opmerkelijk hoge stabiliteit vertoont. Dit netwerk heeft een dikte van precies een atoomlaag.
Drie staafjes in een honingraat
Toen de onderzoekers meer staafvormige moleculen aanbrachten, verza-melden zich plotseling spontaan meestal drie staafjes in een honingraat, terwijl de naast liggende raten leeg bleven. De sociale moleculen zouden dus een voordeel moeten hebben om zich telkens tot een drietal te organiseren.
Onder een rastertunnelmicroscoop konden de onderzoekers zien, waarom dit zo was. De drie moleculen formeren zich telkens zodanig, dat de drie stikstofeinden tegenover een waterstofatoom uitkwamen. Deze formatie in de vorm van een drievleugelige rotor is energetisch zo voordelig, dat de moleculen samenblijven, zelfs als thermische energie het trio in zijn kooi in rotatie brengt.
Maar aangezien een honingraatkooi niet rond maar zeshoekig is, zijn voor de rotoren twee verschillende posities mogelijk. Deze zijn te onderscheiden door de interactie van de buitenste stikstofatomen en de atomen in de wand van de kooi. Bovendien kunnen de drie moleculen rechtsom of linksom draaiend gerangschikt zijn. Door het testen bij verschillende temperaturen konden de natuurkundigen alle vier de toestanden ‘bevriezen’ en nauwkeurig onderzoeken. Uit de temperatuur, waarbij de rotatie tijdens het opwarmen weer begon, konden ze de energiebarrière voor een omwenteling van de nanorotoren berekenen.
Vooruitzichten
De onderzoekers hopen deze eenvoudige fysische modellen uit te kunnen breiden tot optische of elektronische schakelingen. Ze kunnen de grootte van de kooi doelgericht vastleggen en ook nauwkeurig extra moleculen inbrengen en hun wisselwerking met oppervlakte en de wand van de kooi bestuderen. De zichzelf organiserende, dynamische nanostructuren hebben in ieder geval een grote potentie.
(foto: Dirk Kühne, TU München)
