Net zoals er grote machines zijn, zijn er ook kleine moleculaire machines. Een voorbeeld is een moleculaire zuiger, die slechts uit één molecuul bestaat. Grote zuigers en moleculaire zuigers gedragen zich echter wel anders van elkaar. Zo zijn moleculaire machines een stuk onvoorspelbaarder.
Het is tegenwoordig mogelijk om moleculen te maken die functioneren als minuscule machientjes. Onderzoekers kunnen motortjes, liftjes, en draaideurtjes maken die bestaan uit slechts één enkel molecuul. De potentiële toepassingen van zulke moleculaire machines zijn vrijwel onbegrensd, en variëren van moleculaire computers tot oppervlakken met schakelbare eigenschappen. Uiterlijk lijken moleculaire machines precies op de (in verhouding reusachtige) machines uit ons dagelijks leven. Maar gedragen ze zich ook hetzelfde?
Licht als brandstof
Om dat te onderzoeken bestudeerden Nederlandse onderzoekers zogenaamde rotaxanen. Deze moleculen bestaan uit een ring die over een relatief lange draad (een paar nanometer, miljardsten van een meter) van koolstofatomen kan voortbewegen. Op de koolstofdraad bevinden zich twee verschillende ankerpunten (stations) waaraan de ring zich kan binden.
Om de ring van het ene naar het andere station te laten bewegen, beschieten de onderzoekers de rotaxanen met een ultraviolette laserpuls. Het ultraviolette licht fungeert hierbij in feite als de brandstof van de moleculaire motor. De beweging van de ring wordt waargenomen met een infrarode puls, die iets vertraagd is ten opzichte van het ultraviolette startschot. Het infrarode licht wordt anders geabsorbeerd afhankelijk van waar de ring zich op de draad bevindt. Hierdoor geeft een reeks metingen met toenemende vertraging van de infrarode puls een nauwkeurig beeld van zowel het vertrek als de aankomst van de bewegende ring.
Dronkenman
De metingen laten zien dat de ring zich als een dronkenman tussen de begin- en eindpositie beweegt; stapjes naar voren en terug wisselen elkaar op onvoorspelbare momenten af. Totaal anders dus dan de soepele beweging van een zuiger in een automotor. Uiteindelijk komt de ring op zijn eindpositie tot stilstand, maar het is op het moment van vertrek volkomen onzeker hoe lang dit voor een individuele moleculaire machine zal gaan duren.
De wiskunde om dit kansproces te beschrijven is precies dezelfde als die van een gokspelletje waarin twee spelers telkens een kop-of-munt weddenschap houden, totdat een van de spelers blut is. Bij kop doet de ring een stap vooruit, bij munt één achteruit. De formules hiervoor werden al in de zeventiende eeuw afgeleid door de Nederlandse wetenschapper Christiaan Huygens. Alleen blijkt dat in dit geval met het muntje is gesjoemeld. De kans om voor- of achteruit te bewegen is niet precies gelijk, al is het verschil maar een paar procent. De mogelijkheid hiervoor had Huygens al in zijn wiskunde ingebouwd, en met die aanpassing worden de metingen nauwkeurig beschreven door het kop-of-muntspel. Wellicht dat door vals te spelen de moleculaire machines alsnog onder controle kunnen worden gebracht…
