Het idee van een (ammonium)ferroceenmolmotor (afb: Toyokazu Yamada/univ. van Chiba)

In de natuur heb je eiwitten of andere biomoleculen die voor beweging/vervoer zorgen, moleculaire motors of molmotors genoemd. Die kun je natuurlijk ook zelf verzinnen. Kunstmatige molmotors zijn kleine machientjes op nanoschaal die iets zouden kunnen betekenen op het gebied van de katalyse, moleculaire elektronica, geneeskunde en kwantummaterialen. Ferroceen is een verbinding die op dat gebied als uitgangspunt kunnen dienen. Onderzoekers schijnen nu de kleinste molmotor te hebben gemaakt gebaseerd op ferroceen.

Ferroceen is een verbinding van twee vijfringen van koolstof met een ijzeratoom daartussen. Wat die organometaalverbinding zo intrigerend maakt is dat als de lading van het ijzeratoom veranderd van +2 naar +3, die twee vijfringen 36° ten opzichte van elkaar verdraaien. Als je die toestand stuurt met een elektrisch signaal dan heb je een in principe stuurbare molecuulbeweging teweeggebracht.
Daar zit een groot maar aan. De praktische toepassing is vrijwel onmogelijk omdat ferroceen dan de neiging krijgt te ontbinden als het op bepaalde substraten zit, vooral die van edelmetalen. Dat gebeurt bij een temperatuur in de buurt van kamertemperatuur en zelfs onder hoogvacuüm. Tot nu toe was er nog geen methode gevonden om dat te voorkomen.

Onderzoekers in Taiwan en Japan lijken daar nu een oplossing gevonden te hebben en hebben nu ’s werelds kleinste molmotor (molmachine mag je ook zeggen) gemaakt. “We stabiliseerden ferroceen op een edelmetaalondergrond door die te bedekken met een dunne laag (in feite moleculaire; as) van een kroonether“, zegt Toyo Kazu Yamada van de universiteit van Chiba (Jap)

Ammonium

Om de ferroceenmoleculen te stabilseren lieten ze die verbinding reageren met ammoniumzouten waardoor er ammoniumferroceen ontstond. Daardoor bleken die moleculen ‘in leven’ te blijven op een ondergrond. Die moleculen werd aan dat substraat gehecht via een monolaag van een kroonether (een ring van zuurstof en koolstofatomen) die op een koperplaatje was aangebracht. Yamada: “Eerder vonden we dat kroonethers een monolaag kunnen vormen op metaalplaatjes. De kroonethers hechten aan het ammoniumion en voorkomen daarmee dat ferroceen ontleedt.”
Vervolgens werd met een rastertunnelmicroscoop een stroomstootje toegediend aan de bovenkant van het ammoniumferroceen-molecuul. Door er een kleine spanning van 1,3 V op te zetten werd het ijzerion van Fe²⁺ Fe³⁺. Dat zorgde voor de rotatie van de koolstofringen met een zijwaartse schuifbeweging van het molecuul. Die schuifbeweging treedt op door de afstoting tussen de positief geladen ammoniumferroceen-ionen. Als de spanning wegvalt zal ammoniumferroceen weer zijn oorspronkelijke positie innemen.

Volgens Yamada opent dit onderzoek een heel nieuw onderzoeksveld. “Die molmachines kunnen specifieke taken uitvoeren op molecuulniveau. Dat kan leiden tot belangrijke ontwikkelingen in vele wetenschappelijke en industriële toepassingen van precisiegeneeskunde, ‘slimme’ materialen tot geavanceerde productiemethodes.”

Bron: Alpha Galileo