Onder invloed van UV-licht rollen kleine helices gericht over een oppervlak

Dat materialen van vorm kunnen veranderen onder invloed van licht is bekend. Maar nu blijkt dat ze die vormverandering ook kunnen omzetten in een autonome verplaatsing. In Nature Communications publiceerden Amerikaanse onderzoekers hoe een kleine helix voldoende spanning opbouwt om zichzelf al rollend over een oppervlak te verplaatsen.

17 november 2016

Licht is een interessante energiebron voor moleculaire machines.Jeff Keyzer via Wikimedia Commons CC BY2.0

Een van de grote uitdagingen bij het ontwikkelen van moleculaire machines en slimme materialen is het vinden van een geschikte energiebron. Op de extreem kleine schaal van deze nanostructuren gaat de voorkeur dan al snel uit naar licht. Dat weegt niks, het werkt snel en contactloos, is goed te controleren en biedt veel variatie in intensiteit.

Er zijn inmiddels talloze voorbeelden van lichtgevoelige materialen en machines die op moleculaire, nano- en microschaal beweging laten zien. Een Amerikaans-Koreaans onderzoeksteam onder leiding van materiaalwetenschapper Timothy White van het Air Force Research Laboratory in Dayton, Ohio, laat nu voor het eerst zien dat dergelijke materialen ook in staat zijn tot autonome verplaatsing van enkele millimeters. Zelfs tegen een helling op.

Bewegende helices

De onderzoekers knipten smalle reepjes (15 mm lang, 1,25 mm breed) uit een dunne laag materiaal gemaakt van vloeibare kristalpolymeren met daarin ook lichtgevoelige moleculen. Door onder de juiste hoek die reepjes te knippen en er volgens UV-licht op te schijnen, krullen de reepjes zich tot een helix. Tot zover niets nieuws. NEMO Kennislink besteedde al eerder aandacht aan het onderzoek van Nathalie Katsonis, adjunct hoogleraar Bio-inspired and Smart Materials aan de Universiteit Twente. Zij gebruikt dezelfde lichtgevoelige helices om materialen met nieuwe functies te ontwikkelen. We vroegen haar om een reactie op de publicatie van White.

&feature=youtu.be

“White en zijn team laten voor het eerst zien dat je vormverandering in vloeibare kristalpolymeren ook kunt omzetten in een autonome verplaatsing. Tot nu toe waren de meeste voorbeelden van beweging een uiting van de vormverandering in het materiaal zelf. In ons werk bijvoorbeeld hebben we laten zien dat zo’n reepje onder invloed van UV-licht oprolt en weer ontrolt zodra je dat licht uitzet. En dat als je een kant van het reepje vastzet, de kracht van het oprollen groot genoeg is om een gewichtje te verplaatsen”, aldus Katsonis. “Zij hebben de reepjes niet vastgezet, maar los op een oppervlak gelegd. Zodra je er UV-licht op schijnt rollen de reepjes zich op tot een helix en dan rollen ze gericht naar een kant. Ze verplaatsen zich geheel zelfstandig over het oppervlak.”

a) Opnames op verschillende tijdstippen tijdens het rollen van de helix. Zolang het UV-licht op het materiaal schijnt, blijft de helix naar rechts rollen. b) De afstand van de verplaatsing uitgezet tegen de tijd, waarbij opvalt dat er veel variatie zit in de afstand. De helix rolt niet gelijkmatig. c) De frequentie van de afgelegde afstanden. Kleine verplaatsing komen het meest voor, maar er zijn ook uitschieters waarbij de helix in een tijdsframe ruim 0,6 mm aflegt. d) Illustratie van het mechanisme. Onder invloed van het UV-licht wil de helix zichzelf strakker oprollen. Daarbij ontstaat een impuls Ƭph en zodra die groter is dan Ƭr, de tegengestelde impuls die wordt opgewekt door de weerstand van het oppervlak, gaat de helix rollen. — a) Opnames op verschillende tijdstippen tijdens het rollen van de helix. Zolang het UV-licht op het materiaal schijnt, blijft de helix naar rechts rollen. b) De afstand van de verplaatsing uitgezet tegen de tijd, waarbij opvalt dat er veel variatie zit in de afstand. De helix rolt niet gelijkmatig. c) De frequentie van de afgelegde afstanden. Kleine verplaatsing komen het meest voor, maar er zijn ook uitschieters waarbij de helix in een tijdsframe ruim 0,6 mm aflegt. d) Illustratie van het mechanisme. Onder invloed van het UV-licht wil de helix zichzelf strakker oprollen. Daarbij ontstaat een impuls Ƭ_ph en zodra die groter is dan Ƭ_r, de tegengestelde impuls die wordt opgewekt door de weerstand van het oppervlak, gaat de helix rollen.J.J. Wie et al., Nat Comm 2016, doi:10.1038/ncomms13260 via CC BY4.0

Spanning controleren

Een mooi resultaat, maar Katsonis is niet verbaasd over het gedrag van de helices. “Om eerlijk te zijn was dit te verwachten. Maar het is desondanks belangrijk dat nu is aangetoond dat autonome beweging mogelijk is en dat die beweging heel gecontroleerd plaatsvindt.” Er is sprake van een duidelijke hiërarchie. Eerst de verandering op moleculaire schaal, waardoor het materiaal van vorm verandert. Dat leidt tot spanning in het materiaal die samen met de weerstand van het oppervlak zorgt voor de verplaatsing. Zonder die weerstand gaat het feest niet door.

“Dit werk laat goed zien dat spanning in het materiaal een cruciale rol speelt. Beweging wordt bepaald door het opbouwen en loslaten van spanning. Je moet dat proces op moleculair niveau controleren om op macroscopisch niveau arbeid te verrichten en het materiaal een functie te laten uitvoeren.” Daarvoor is kennis over de grootte van de spanning en over de balans tussen spanning en weerstand vereist. White en collega’s hebben vooral vanuit dat oogpunt goed werk verricht, vindt Katsonis.

“Ze hebben de spanning in het materiaal gekwantificeerd en dat is wat we nodig hebben om op een rationele basis materialen te ontwerpen. Controle over vormverandering, spanning en chiraliteit of asymmetrie is essentieel om de bewegingen van moleculaire motoren en moleculaire schakelaars uiteindelijk om te zetten in een toepasbare functie. Daar zit voor mij de inspiratie.”

Bron:

Jeong Jae Wie, M. Ravi Shankar en Timothy J. White, Photomotility of polymers, Nature Communications 2016, doi:10.1038/ncomms13260

Reageer