Doorbraak: wetenschappers ontwikkelen kunstmatige moleculen die zich als echte moleculen gedragen

_{⌂ » Werk & ondernemen » Nijmegen innoveert}

Wetenschappers van de Radboud Universiteit hebben kunstmatige moleculaire structuren ontwikkeld die sterk lijken op de structuren van echte, organische moleculen. Met de kunstmatige structuren kan de groep onderzoekers, onder leiding van Alex Khajetoorians en Daniel Wegner, het gedrag van een echte molecuul simuleren. Op die manier kunnen ze moleculen aanpassen, iets wat normaal gesproken erg moeilijk of zelfs niet haalbaar kan zijn. Zo kunnen wetenschappers veel beter begrijpen hoe moleculen zich gedragen.

Emil Sierda was het hoofd van de experimenten bij de Radboud Universiteit: ‘Een paar jaar geleden hadden we het gekke idee om een kwantumsimulator te bouwen. We wilden daarmee kunstmatige moleculen creëren die op echte moleculen lijken. We ontwikkelden een systeem waarmee we elektronen vingen. Die omringen moleculen als een soort wolk, die hebben we weten te vangen en daarmee bouwden we een kunstmatige molecuul.’ De resultaten waren verbazingwekkend. Sierda: ‘De gelijkenis tussen wat we hadden gebouwd en echte moleculen was ongelofelijk.’

Veranderende moleculen

Alex Khajetoorians, hoogleraar Scanning Probe Microscopy (SPM) aan de Radboud Universiteit: ‘Moleculen maken is al moeilijk genoeg. Wat nog moeilijker is, is begrijpen hoe bepaalde moleculen reageren als ze verdraaid of veranderd worden.’ Hoe moleculen veranderen en reageren is de basis van chemie, zoals wanneer er water wordt gevormd uit waterstof en zuurstof.

‘Door moleculen te simuleren, hebben we de ultieme gereedschapskist om kunstmatige moleculen te buigen en te onderzoeken op een manier die bij echte moleculen bijna onmogelijk is. Daarmee kunnen we iets zeggen over de echte moleculen, zonder last te hebben van die echte moleculen, omdat ze bijvoorbeeld constant veranderen.’

Benzeen

De onderzoekers hebben met deze simulator een kunstmatige versie gebouwd van een van de meest fundamentele moleculen: benzeen. Benzeen is een onderdeel van een grote groep andere chemicaliën, zoals styreen, waarmee o.a. polystyreen (piepschuim) wordt gemaakt. Khajetoorians: ‘Benzeen is het schoolvoorbeeld van een organisch molecuul en dat hebben we weten te bouwen zonder organisch materiaal.’ Daar komt nog bij dat de kunstmatige moleculen tien keer groter zijn dan de echte variant, wat het eenvoudiger maakt om experimenten met ze te doen.

Praktisch gebruik

De mogelijkheden van deze nieuwe techniek zijn eindeloos. Daniel Wegner, universitair docent SPM: ‘We zijn pas net begonnen met ons voor te stellen waar we dit allemaal voor kunnen gebruiken. We hebben zo veel ideeën dat het lastig is om te bepalen waar we moeten beginnen.’

Door gebruik van de simulator kunnen wetenschappers moleculen en hun reacties veel beter begrijpen en dat kan in zo ongeveer elk wetenschappelijk veld van pas komen. Wegner: ‘Nieuwe materialen voor toekomstige computer hardware zijn bijvoorbeeld heel moeilijk te maken. Door de gesimuleerde versie van een molecuul te gebruiken, kunnen we naar eigenschappen en functionaliteiten van bepaalde moleculen kijken en bepalen of het de moeite waard is om het echte materiaal te maken.’

In de verre toekomst zijn er allerlei opties: het begrijpen van chemische reacties in een stap-voor-stap slow-motion-video, of het maken van kunstmatige elektronische apparaten op een enkele molecuul. Kwantumsimulators zouden zelfs als kwantumcomputers kunnen fungeren. Sierda: ‘Maar daar zijn we nog lang niet. We gaan nu eerst beginnen met het begrijpen van moleculen op een niveau dat eerder nog niet mogelijk was.’

Het onderzoek werd gedaan door een samenwerkingsverband aan de Radboud Universiteit tussen de groepen van Malte Rösner (Theory of Condensed Matter), Mikhail Katsnelson (Theory of Condensed Matter), Gerrit Groenenboom (Theoretical Chemistry), Daniel Wegner (SPM) and Alex Khajetoorians (SPM).

Dit artikel verscheen eerder op Radboud Universiteit.