Nanodeeltjes brengen toepassing moleculaire motoren dichterbij

In samenwerking met de onderzoeksgroep van RUG-hoogleraar Ben Feringa hebben zijn collega’s prof. Hong Zhang en dr. Kefan Wu van het Van ’t Hoff Institute for Molecular Sciences van de Universiteit van Amsterdam nanodeeltjes ontwikkeld waarmee moleculaire motoren zijn aan te drijven met infrarood licht. De nanodeeltjes zetten infrarode straling, die ver kan doordringen in materialen, om in blauw of ultraviolet licht dat geschikt is om moleculaire motoren te laten draaien. Daardoor wordt het mogelijk deze motoren te gebruiken om materialen lichtgevoelig te maken, of om moleculaire schakelaars om te zetten in biologische systemen. De resultaten zijn vorige maand gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society.

FSE Science Newsroom / Tekst Universiteit van Amsterdam

De nanodeeltjes lossen een probleem op voor de toepassing van door licht aangedreven moleculaire motoren: de meest effectieve manier om die te laten draaien is met blauw of ultraviolet licht. Maar dat dringt niet diep door in dikke materialen of biologische weefsels, waardoor moleculaire motoren niet effectief worden aangedreven. Ook kan ultraviolette straling schadelijk zijn.

Het is mogelijk om de motoren gevoelig te maken voor infrarood licht, dat dieper doordringt en nauwelijks schadelijk is. Maar daarvoor moeten die motoren wel worden aangepast met allerlei extra moleculaire groepen, waardoor ze moeilijker te maken zijn. Bovendien is directe aandrijving met infrarood licht doorgaans weinig efficiënt.

Een efficiënte omzetting

In hun gezamenlijke publicatie beschrijven de onderzoekers van de RUG en de UvA een nieuwe strategie om moleculaire motoren op een efficiënte manier te laten draaien op infrarood licht. Dit is gebaseerd op de expertise van prof. Hong Zang in het maken van nanodeeltjes die in staat zijn de stralingsenergie van licht efficiënt omte zetten, een proces dat ‘upconversie’ heet. De nu ontwikkelde deeltjes bestaan uit natrium-ytrrium-fluoride en bevatten verschillende ionen uit de klasse van de zeldzame aarden, waardoor ze infraroodlicht kunnen ‘opwaarderen’ tot ultraviolet- of zichtbaar licht. Het licht van de deeltjes zorgt voor rotatie van de moleculaire motoren in één richting, net als bij direct gebruik van ultraviolet licht en bijna net zo efficiënt.

De onderzoekers voerden meerdere experimenten uit die duidelijk aantoonden dat upconversie een geschikte strategie is om UV-licht te vervangen door het minder schadelijke infrarode licht. Dit is vooral belangrijk bij gebruik in biologische systemen waar licht diep in moet doordringen zonder schade te veroorzaken, maar ook in vaste materialen. Dankzij de nanodeeltjes is het bovendien niet nodig om ingewikkelde aanpassingen te maken aan de motormoleculen. Volgens de onderzoekers biedt hun nieuwe aanpak een breed toepasbare oplossing voor het aandrijven van moleculaire motoren met infrarood licht. Dat brengt hun toepassing in dynamische en slimme materialen dichterbij, vooral in biologische systemen.

Referentie: Jinyu Sheng, Youxin Fu, Kefan Wu, Thomas Freese, Hong Zhang, and Ben L. Feringa: Highly Efficient Near-Infrared Light-Driven Molecular Motor Rotation Enabled by Upconversion Nanoparticles as Nanoscale Light Sources. Journal of the American Chemical Society, 2025