Voorpublicatie Echt nano

Hoe de chemie de nanowereld kaapte en het eerste moleculaire karretje maakte

Niet de natuurkundigen bij wie het idee begon, maar scheikundige Ben Feringa en twee collega’s kregen een Nobelprijs voor de eerste nanomachine, een rijdend moleculair karretje. Hoe kon dit? Een voorpublicatie uit Echt nano van Martijn van Calmthout. 

Vier nanometer lang was het en twee nanometer breed, miljoensten van een haardikte klein. Maar zo klein als het nanokarretje was dat de Groningse chemicus Ben Feringa en zijn groep hadden gebouwd, zo prominent stond het half november 2011 op de cover van toptijdschrift Nature. Een ruggegraat van rode bolletjes met aan weerszijden twee grijze schoepwielen. Zes jaar eerder had Feringa, een energieke professor organische chemie met hoorbaar Drentse roots, het project aangekondigd toen hij de Spinozaprijs won, kort gezegd de Nederlandse Nobelprijs. Nu was het echt zover. De eerste moleculaire four wheel-drive was een feit. Een wereldprimeur, made in Groningen.

Tot dan hadden Feringa en consorten al wel moleculaire motortjes gebouwd, moleculen die draaiende of zwaaiende bewegingen kunnen uitvoeren, aangevuurd door licht, zuur of elektriciteit. Een Spinozapremie waard, zonder meer. Maar er kon meer. En na jaren ploeteren in Groningse labs leidde dat tot een rijdend moleculair karretje van wat koolstof en waterstofatomen, dat over een goudoppervlak voortbewoog. Onzichtbaar voor het blote oog, en zelfs in de microscoop hooguit een vaag vierkant lichtvlekje. Maar het bewoog en was het levende bewijs dat nanotechnologie tot echte werkende machientjes kan leiden. Rijdende, zwemmende, duwende en trekkende machientjes. Op de schaal van moleculen.

Nanokarretjes

Wat vermoedelijk niet veel lezers zich bij de krantenberichten uit die spektakeldagen realiseerden was dat Feringa’s nanokarretjes niet in de traditionele zin van het woord in elkaar gesleuteld waren, atoom voor atoom, zoals de lego-achtige artist’s impressions misschien suggereerden. De Groningse nanocars waren gemaakt in een reageerbuis, met duizenden miljarden tegelijk, verdund en uiteindelijk verdeeld over een postzegel goud. Door zorgvuldig grondstoffen te verdunnen en te mengen, tussenreacties te stimuleren of remmen met snufjes van hulpstoffen, een spel met temperatuur en zuurgraad.

Het was organische chemie zoals dat nu eenmaal gaat: magisch haast voor wie niet heel precies is ingewijd in de wereld van de zuurkasten, pipetten en witte labjassen. Tot een verdwaald exemplaar met een supermicroscoop kon worden gevolgd, voortkruipend op een speciaal oppervlak. Op reis in een verre wereld.

Op 4 oktober 2016 maakte het Nobelprijscomité in Stockholm bekend dat professor Ben ‘Bernard’ Feringa from Groningen dat jaar de hoogste wetenschapsprijs zou krijgen, samen met twee vakbroeders in de organische chemie: de Brit Sir James Fraser Stoddart en Fransman Jean-Pierre Sauvage. Grondleggers van de moleculaire machines, werden de drie alom genoemd. En zoals dat gaat bij Nobelprijzen: het leven van het drietal zou sindsdien nooit meer hetzelfde zijn. Soms een feest, maar vaak ook ronduit hard werken, vanwege alle publiciteit.

3D-weergave van een nano-asophanging, een constructie uit de koker van K. Erik Drexler. Foto Getty Images/Science Source

Maar hoe feestelijk ook, er was die dagen één grootheid die zich hoorbaar omdraaide in zijn graf. Ook een Nobelprijswinnaar, maar dan een halve eeuw eerder, in 1965, en voor een theorie die niks met moleculen te maken had maar met de allerdiepste bouwstenen van de materie. Natuurkundige Richard Feynman, een befaamd theoreticus, inspirerend docent en bongo-spelende grappenmaker in één. Een ontspannen Californiër met bravourige New Yorkse genen. Hij was het die in 1959, tijdens de dinner-speech voor vakgenoten in Pasadena, het zaadje plantte voor wat de decennia daarna nanotech zou gaan heten.

De voordracht ging de geschiedenis in met verwijzing naar de belangrijkste zin die erin voorkwam: ‘There’s Plenty of Room at the Bottom’. Er ligt, zei Feynman, een ongelofelijk domein van technische mogelijkheden braak, recht onder onze neus. Het enige wat we moeten leren is te bouwen met atomen, op atomaire schaal. Een voor een, tot de juiste atomen op de juiste plaats zitten. Cognac, fietsbanden, telefoons, vliegtuigen: alles bestaat immers uit atomen op de juiste plaats. Wie de juiste atomen aan elkaar plakt, schept een wereld. Als een Schepper.

Uitdaging

Aan het eind van zijn lezing komt Feynman met een uitdaging. Hij zal duizend dollar, een fors bedrag voor die tijd, uitkeren voor een draaiende elektrische motor die zo klein is als de punt aan het eind van deze zin.

Het lijkt hooggegrepen. Maar november 1960, een jaar later, meldt zich in het kantoor van Feynman op de technische universiteit van Californië een man met een houten kistje. Feynman heeft al meer bezoek gehad, doorgaans van mensen die de uitdaging om een kleine motor te maken niet helemaal begrepen hadden. Het kistje van de nieuwe bezoeker voorspelde wat dat betreft niet veel goeds. Maar als Bill McLellan de kist open maakt, komt er geen motortje uit maar een microscoop. Die heeft hij nodig om professor Feynman zijn eigenlijke vinding te laten zien: een motortje van een kwart milligram van silicium en ragfijn stroomdraad waarvan de rotor tot 2.000 omwentelingen per minuut maakte. Het dingetje wordt via twee haardunne draadjes gevoed met stroom. De twee mannen spelen volgens de overlevering een uur met het microscopische apparaatje. Twee dagen nadien krijgt McLellan, die in het dagelijks bestaan bij een optische firma in Pasadena werkt, een cheque van duizend dollar in de post.

Achteraf, gaat het verhaal, voelde Feynman zich toch enigszins bekocht met McLellans motortje, omdat dat eigenlijk nog veel te gewoon was, naar zijn zin. Hij had in zijn lezing gepraat over machines die atoom voor atoom zouden worden opgebouwd. Feynman stelde zich voor hoe hij de hendels van een machine bediende die de hendels bediende van een kleinere kopie en zo verder, in een schier eindeloze reeks die eindigde in een moleculaire machine die daadwerkelijk atomen op de juist plekken zou zetten.

Maar anno 2016 waren het niet de natuurkundigen die de eerste echte nanomachines bouwden en er een Nobelprijs voor kregen, maar scheikundigen. Waar was het misgegaan?

3D-weergave van een nano-­kogellager, ontwikkeld door K. Erik Drexler. Foto Imageselect

Wet van de remmende voorsprong

In feite bij de wet van de remmende voorsprong. In de 19de eeuw drongen natuurkundigen steeds dieper in de materie door. Atomen bleken deelbaar en te bestaan uit onderdelen, waarvan er sommige ook weer onderdelen bevatten. Een raadselachtige wereld waar vreemde krachten bleken te heersen, maar juist daarom ook een geweldige wetenschappelijke uitdaging. Een uitdaging waarbij het oude vertrouwde atoom een beetje stoffig afstak, laat staan als ze moleculen vormden. Spul voor chemici. Fysici hadden wel wat anders aan hun hoofd. Ze sloopten de materie. Bouwen was van later zorg.

Behalve K. Erik Drexler dan, een jongensachtige begin-dertiger. Midden jaren tachtig verschijnt er in Amerika een boek dat voor heel veel lezers het echte begin van de nanorevolutie zal betekenen. Engines of Creation heet het, en het is geschreven door deze natuurkundige van het Massachussetts Instituut voor Technologie in Boston met een radicaal visioen.

Drexlers visioen draait om onzichtbare moleculaire machines, die op bestelling de juiste moleculaire producten afleveren. Assemblers noemt hij ze, samenstellers. Ze stellen uit grondstoffen zelf een glas samen, een heel uurwerk of medicijnen of een biefstuk. In levende wezens, dieren en mensen, repareren ze op commando beschadigde cellen en organen. En weer andere breken ongerechtigheden af en maken schoon. Dan zijn de samenstellers opruimers.

Drexler belooft gouden bergen. Uiteindelijk is er een stapel bouwtekeningen van assemblers, gebouwd uit koolstof in zijn duurste vorm: diamant. Maar de machientjes zelf blijken niet te bouwen en de aandacht verflauwt. Nanotechnologie lijkt een mooie droom, een fantasie, en Drexler vertrekt een illusie armer naar Engeland.

Maar terwijl fysici als Drexler faalden gebeurde er in de scheikunde iets opmerkelijks. Chemici zijn al sinds de Nederlandse pionier en Nobelprijswinnaar Van ’t Hoff gewend te denken in moleculaire structuren, die eventueel met wat scheikundig duwen en trekken kunnen worden vervormd, als een modelletje waarvan een pootje wordt omgezwikt. Maar chemici denken in stoffen en producten, begintoestanden en eindtoestanden. Linksdraaiend melkzuur en rechtsdraaiend melkzuur. Wat er onderweg gebeurt, doet er lang niet toe.

K. Eric Drexler Foto eric drexler

Maar dan is er de Fransman Jean-Pierre Sauvage van de universiteit van Straatsburg, die in 1983 iets nieuws heeft ontdekt: twee ringvormige moleculen, die als de schakels van een ketting vrij ten opzichte van elkaar kunnen bewegen. Sauvage begreep als eerste dat zulke moleculen niet alleen scheikundige eigenschappen hebben maar ook mechanische, bijna zoals de plastic modelletjes waarmee chemici graag spelen om op ideeën te komen.

Rond dezelfde tijd deed de Britse chemicus John Fraser Stoddart in een lab in de VS nog een ontdekking: hij liet de mechanische verbinding tussen delen van een molecuul gerichte bewegingen uitvoeren. In zijn geval schoof een ringetje als een kraal over een centraal molecuul. Een treintje of een lift en de eerste contouren van chemische mechaniekjes begonnen zichtbaar te worden. Niet atoom voor atoom bij elkaar gepuzzeld door voorlopig nog denkbeeldige assemblers. Nee, aangeleverd door Moeder Natuur. Toegestaan is een beter woord.

Nanomachines

Natuurkundigen hebben na Drexler het nanodomein op een totaal andere manier verkend. Ze maken extreem dunne lagen, bouwen structuren op chips, voor elektronica en voor zonnecellen, en behalen daar grote successen. Maar de machines waarvan Feynman in 1956 droomde, zijn niet door fysici gebouwd maar door chemici aan de scheikundedoos van Moeder Natuur ontfutseld.

Op zich is dat ook niet zo heel verrassend. Moeder Natuur werkt zelf goeddeels dankzij nanomachines. In de cellen van leven wandelen en roteren moleculen, verzwikken moleculen, duwen en trekken ze. Onze hartslag, elke oogwenk, is een kwestie van bewegende moleculen. Zonder kan de biochemie niet vooruit, letterlijk. Het zijn de motoren van het bestaan. Ons bestaan.

Feringa mag graag gloedvolle verhalen houden over wat daarmee allemaal nog meer te doen zou kunnen zijn. Mits we begrijpen hoe het werkt en hoe het te besturen en manipuleren is. Maar nuchter is hij ook. Nanorobotjes die breinen herstellen, nanomedicijnen die door de bloedbaan navigeren en hun lading op de gewenste plek afleveren, het is allemaal denkbaar. Maar in werkelijkheid, zegt hij ook, zijn wij als de gebroeders Wright, die in 1903 een paar meter vlogen met hun eerste machine en geen idee hadden dat we een eeuw later in een Boeing 747 zouden stappen en de wereld rondvliegen. De eerste meters zijn er, bedoelt hij. Dankzij de chemie. Nu de rest.

Martijn van Calmthout: Echt Nano, hoe moleculen machines konden worden verschijnt komende week bij uitgeverij LIAS. Foto Martijn van Calmthout
Meer over

Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@volkskrant.nl.