Wybren Jan Buma en Fred Brouwer van het Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences wonnen onlangs de Descartes-prijs, ook wel de 'Europese Nobelprijs' genoemd, voor hun onderzoek naar licht en moleculen. Hun onderzoek is erop gericht om moleculen gecontroleerd te laten bewegen door er licht op te schijnen.

Buma en Brouwer kijken naar alles wat te maken heeft met licht en moleculen: de moleculaire fotonica. Dit brede onderzoeksterrein strekt zich uit van het maken van moleculen voor zeer uiteenlopende doeleinden tot het onderzoeken van hun gedrag onder invloed van licht. De schaal waarop de processen zich afspelen is te klein om met een microscoop waar te nemen, dus moeten er slimme trucs bedacht worden om te ‘zien' wat er gebeurt. Brouwer's onderzoek richt zich voornamelijk op het maken en bestuderen van moleculen op wat grotere schaal, terwijl Buma's interesse meer ligt in de fundamentelere processen. 'Wybren Jan probeert moleculen te isoleren in de gasfase, en ik stop ze het liefst ergens in', aldus Brouwer.

Beide heren hebben dus een andere aanpak. 'Wybren Jan gaat helemaal in detail in één zo'n molecuul prikken. Ik probeer, door de omgeving en de moleculen steeds een beetje te veranderen, een vergelijkbare vraag op een andere manier te benaderen', aldus Brouwer. Buma vult aan: 'Het aardige is dat we zo een complementair beeld krijgen. We kijken allebei naar hetzelfde molecuul, vanuit verschillende oogpunten. Dat levert verschillende informatie op die samen veel meer oplevert dan twee losse onderzoeken.'

Spionnetjes

In samenwerking met het Dutch Polymer Institute en het Van der Waals-Zeeman Instituut maakt Brouwer moleculen die door hun kleur iets zeggen over welke omgeving ze hebben. 'Deze moleculen absorberen licht en zenden vervolgens bij het terugvallen naar de grondtoestand licht uit van een andere golflengte en dus een iets andere kleur. Wij maken de moleculen zó dat de kleur licht die ze uitzenden afhangt van de stroperigheid, de polariteit of de temperatuur van het medium waarin ze zitten.'

'Daarmee kunnen deze moleculen gebruikt worden als moleculaire sensoren, eigenlijk een soort spionnetjes', zegt Brouwer. 'De uitdaging is om moleculen te bedenken die voldoende van kleur veranderen om echt iets te zeggen over wat je wilt weten. In het project van het Dutch Polymer Institute gaat het maar om een heel kleine kleurverandering, maar die kunnen we wel heel goed meten.' Het is nog afwachten of het experiment van het Van der Waals-Zeeman Instituut net zo goed zal verlopen. Hiervoor maakt Brouwer moleculen die voelen wanneer er tegen ze aangedrukt wordt en daardoor van kleur veranderen. Zo hoopt de groep de onderlinge krachten te meten tussen bolletjes van ongeveer een millimeter groot. 'Dit is ontzettend spannend onderzoek, omdat we echt niet weten of het gaat lukken', aldus Brouwer.

'En waarschijnlijk lukt het ook niet in een keer', voegt Buma lachend toe. 'Het is een lang proces: eerst ben je bezig het molecuul te ontwikkelen op papier en daarna te synthetiseren in het laboratorium. Maar je krijgt gegarandeerd dat het molecuul bepaalde eigenschappen heeft die je niet wilt, of je gaat bepaalde eigenschappen proberen te optimaliseren. En dat betekent: weer terug naar de tekentafel.'

Trillende veertjes

Veel mensen zien moleculen als vrij statische structuren van kleine bolletjes. In werkelijkheid is er van alles aan het trillen en bewegen. Om te voorkomen dat deze bewegingen de waarnemingen verstoren, koelt Buma de moleculen af tot bijna nul graden Kelvin. Dan bewegen ze nog wel, maar in elk geval allemaal op dezelfde manier. Buma bestraalt de moleculen met een laser, en door te bestuderen welke kleuren licht door de moleculen worden geabsorbeerd en welke kleuren licht worden uitgezonden, weet hij hoe de moleculen eruit zien. 'Je kunt de bindingen tussen de atomen zien als veertjes', licht Buma toe. 'Een zwak veertje trilt langzamer dan een sterke veer onder invloed van licht. De trilling kunnen we meten en zo zien we hoe sterk de bindingen zijn.'

Wat uit de metingen volgt is een spectrum, een grafiek waarin de voor dat molecuul specifieke energie-overgangen zichtbaar zijn. Op het eerste gezicht lijken het weinig bijzondere grafieken, maar voor Buma en Brouwer leveren ze een bijna tastbaar beeld. 'Als wij naar een spectrum kijken, zien we het molecuul, de structuur en de beweging', zegt Brouwer.

Brouwer bestudeert moleculen op een andere manier. Hij maakt een dun laagje plastic, bestaande uit lange polymeerketens. Daarin stopt hij de spionmoleculen, vergelijkbaar met gehaktballetjes op een bord spaghetti. De spionnen hebben allemaal ongeveer dezelfde omgeving, maar in detail zijn er toch verschillen. Door een lichtbundel over de sample te schuiven en te kijken naar de kleur en intensiteit van het uitgezonden licht, bepaalt Brouwer de locatie van het molecuul tot op de nanometer nauwkeurig, en kan hij afhankelijk van het soort spionnetje, iets zeggen over hoe het molecuul door zijn omgeving wordt beïnvloed. 'Je kunt je molecuul bijvoorbeeld zo ontwerpen dat wanneer het dubbelgevouwen is, het veel roder licht uitzendt.'

Moleculaire motor

Buma en Brouwer zijn veel bezig met rotaxaan moleculen. Deze bestaan uit een staafstructuur met daarop een ring (rota=wiel, axis=as). In samenwerking met groepen in heel Europa lukte het ze een moleculaire motor te ontwikkelen. Buma houdt een potje wittig poeder omhoog. 'Dit zijn ze, die rotaxanen.' Maar hij had net zo goed een willekeurig ander potje kunnen tonen, want op het oog is er weinig aan te zien. Toch zijn het erg belangrijke moleculen; de ring kan over de staaf schuiven onder invloed van licht. Voor dit onderzoek ontvingen ze de Descartes-prijs, waarmee een geldbedrag van 1,36 miljoen euro gemoeid is. 'Helaas is dat niet allemaal voor ons', zegt Buma. 'Na verdeling onder de verschillende onderzoeken en onderzoeksgroepen blijft er waarschijnlijk iets van 60.000 euro over. Dat is natuurlijk leuk, maar aangezien de meeste apparatuur minstens 100.000 euro per instrument kost gaat het toch vooral om de eer.'

Brouwer onderzocht hoe de snelheid van de beweging van de ring over de staaf afhangt van het oplosmiddel waarin de moleculen worden opgelost. Ook keek hij naar de invloed van temperatuur van het oplosmiddel en het effect van kleine aanpassingen aan de molecuulstructuur op de bewegingsnelheid van de ring. Met dit werk leverde hij een belangrijke bijdrage aan het onderzoek naar moleculaire motoren.

Nano-robots

'De beweging van de ring over de as is vergelijkbaar met die van een zuiger in een auto', zegt Buma. Het is al mogelijk om door heel veel moleculaire motortjes tegelijk dezelfde beweging uit te laten voeren en zo een druppeltje vloeistof over een oppervlak te laten bewegen. Maar voor nano-robots die door de bloedbaan zwemmen en reparaties uitvoeren, is het volgens beide wetenschappers nog veel te vroeg.

Toch klinkt het onderzoek van de moleculaire fotonica groep al behoorlijk futuristisch. Zo ontwikkelt collega dr. Sander Woutersen nieuwe technieken om molecuulbewegingen waar te kunnen nemen die op de schaal van een paar duizendste van een miljoenste van een miljoenste seconde plaatsvinden. Dr. René Williams doet fundamentele studies naar een van de belangrijkste processen nodig voor kunstmatige fotosynthese: het splitsen van water. En dr. Hong Zhang onderzoekt in samenwerking met het AMC hoe je nanodeeltjes kunt gebruiken om tumoren te labelen én te verwijderen.

Kip

Hoewel het hart van Brouwer en Buma ligt bij het fundamentele onderzoek, zijn er ook  leuke voorbeelden te vinden in toepassingen. Zo onderzoekt een spin-off bedrijf van een groep waarmee ze in diverse Europese netwerken mee samenwerken hoe je informatie kunt wegschrijven met behulp van een laagje rotaxanen. En hoe je deze moleculen zelfs kunt gebruiken als kleine 'temperatuur historie metertjes'. Deze spionnetjes op het etiket van de kip in het koelvak zouden het dan verraden als de kip net iets te lang buiten het koelvak gelegen heeft.

Het voorkomen van salmonella-vergiftiging of zelfs het bestrijden van tumoren klinkt erg mooi. Toch bestaat er angst voor nanotechnologie. 'Als nanotechnologie betekent dat je allerlei deeltjes in consumentenproducten of voedsel gaat stoppen, dan moet je inderdaad uitkijken wat je doet', zegt Brouwer. Buma vervolgt: 'In het verleden is er wel eens onzorgvuldig omgesprongen met voorlichting over wetenschap, dat kan angst creëren. Daarom is het onze taak als wetenschappers om de voor- en eventuele nadelen aan het publiek duidelijk te maken.' Brouwer reageert: 'En die voordelen kennen we nog niet helemaal, maar de potentie is enorm.'