Water smeert nanomachines

Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam hebben ontdekt dat kleine moleculaire machines veel sneller bewegen als je 'smeermiddel' toevoegt aan hun omgeving. Tot verrassing van promovendus Matthijs Panman en zijn collega's blijkt water verreweg het beste te smeren. Het onderzoek staat deze week in Nature Chemistry.
Het onderzoek, gefinancierd door de Stichting FOM, was er op gericht de bewegingssnelheid te bepalen van twee nanomachines: een moleculair wiel en een door licht aangedreven moleculaire motor. Beide machines bestaan uit slechts één molecuul (opgebouwd uit enkele tientallen atomen) en zijn ongeveer één nanometer groot (een miljardste meter). De onderzoekers bestudeerden de moleculaire machines bij het Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences met geavanceerde fysische technieken, zoals kernspinresonantie en ultrasnelle lasers.
Tijdens het onderzoek bevonden de machines zich in een organisch oplosmiddel (acetonitril). Daarbij bleek de gemeten bewegingssnelheid afhankelijk van de gebruikte fles acetonitril. Analyse bracht een kleine variatie in het (op zich al geringe) watergehalte van het oplosmiddel aan het licht. Verrassend genoeg bleek er een verband tussen het watergehalte en de gemeten moleculaire snelheden.
De HIMS researchers besloten dit effect verder te onderzoekers en voegden nog méér water toe. Het effect was opmerkelijk. Slechts drie procent water blijkt de motoren al zó goed te smeren dat de bewegingsnelheid meer dan verdubbelt.
De onderzoekers voegden ook andere stoffen toe, maar hoe minder de toegevoegde stof op water lijkt, hoe minder goed de smerende werking is. Butanol, dat qua eigenschappen tussen water en smeerolie in zit, maakt de beweging zelfs langzamer.
Het is nog niet helemaal duidelijk waarom water in deze toepassing zo'n goed nano-smeermiddel is. De onderzoekers denken dat het te maken heeft met de relatief zwakke waterstofbruggen tussen de twee ten opzichte van elkaar bewegende delen van de motor. Beweging is alleen mogelijk als de waterstofbruggen tijdelijk verbroken worden. Maar aangezien de losgeraakte helften van een gebroken waterstofbrug elkaar snel weer kunnen 'vastgrijpen', staat er als het ware altijd een rem op de beweging van de machine
In de aanwezigheid van water verandert dat. Dan kunnen de verbroken waterstofbruggen nieuwe bindingen vormen met de watermoleculen, in plaats van met elkaar. De waterstofbruggen tussen de beweegbare delen van de machine blijven dan langer 'open', waardoor de interne wrijving van de moleculaire machine vermindert en de beweging versnelt.
Watermoleculen zijn klein en beweeglijk en vormen makkelijk waterstofbruggen. Daardoor zijn ze waarschijnlijk de ideale kandidaat om de nanomachines te versnellen.
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.