Voor het eerst is het chemici gelukt om de verbinding tussen twee atomen in een enkel molecuul aan te passen. Dit kregen ze voor elkaar met een elektrisch pulsje. Het is knutselen op de allerkleinste schaal.

Je kunt moleculen zien als bouwwerkjes die opgebouwd zijn uit kleine legoblokjes: atomen. Die legoblokjes moet je precies op de juiste manier aan elkaar klikken als je complexe moleculen wilt maken, zoals de moleculaire machientjes van Nobelprijswinnaar Ben Feringa.

Moleculen bouwen is nu nog een behoorlijke uitdaging waarvoor je veel geduld nodig hebt. De huidige methode vergelijken chemici Igor Alabugin en Chaowei Humet in een artikel met het leeggooien van een doos legoblokjes in een wasmachine. Vervolgens kun je alleen maar hopen dat tijdens de wasbeurt de juiste blokjes aan elkaar klikken. Je kunt er hooguit middeltjes – zogeheten katalysatoren – bij gooien die het proces een handje helpen.

Namaak-aanraak
LEES OOK
Namaak-aanraak

Elektrisch pulsje op enkel molecuul

In een nieuwe publicatie in het vakblad Science laat een internationale onderzoeksgroep zien dat het makkelijker kan. Dat doen ze door een enkel molecuul gecontroleerd om te zetten in drie verschillende varianten ervan. Hiervoor gebruiken ze een elektrische puls, die ze gericht afvuren met een zogeheten scanning-tunneling-microscoop (STM).

Een STM bestaat uit een dunne naald waarvan het puntje slechts één atoom groot is. Door een elektrische spanning op deze naald te zetten en hem vlak boven een te bestuderen object te brengen, kun je, als het ware, het oppervlak van dat object atoom voor atoom aftasten.

De onderzoekers laten zien dat ze de verbinding tussen twee atomen in een molecuul kunnen verbreken door er met de STM een zwak, maar gericht elektrisch pulsje op af te vuren. Vervolgens kunnen ze het molecuul veranderen door nieuwe atomaire verbindingen te creëren.

Zwitsers zakmes

Het molecuul dat de onderzoekers met de STM bewerkten, is een zogeheten tetracyclisch molecuul dat bestaat uit vier aan elkaar geplakte ringen van koolstofatomen. Aan vier van de achttien koolstofatomen bungelt een chlooratoom. De onderzoekers verbraken de verbinding tussen een chloor- en koolstofatoom met een stroomstootje. Dit herhaalden ze bij de andere drie chlooratomen en bij een verbinding tussen twee koolstofatomen. Dit leverde een ‘diradicaal’ molecuul op, met zes koolstofatomen die de mogelijkheid hebben om nieuwe verbinden te vormen.

Door vervolgens de elektrische spanning van de STM te variëren, konden de onderzoekers bepalen welke nieuwe verbindingen – en dus welke nieuwe varianten van dit molecuul – er tussen de koolstofatomen ontstonden. Bij een hoge spanning vervormde het molecuul tot een zogeheten gebogen alkyn. Was de spanning laag, dan veranderde de moleculaire structuur in een zogeheten cyclobutadieenring. Door elektronen toe te voegen, konden ze het molecuul weer laten veranderen in de diradicale variant.

Afbeeldingen van de drie afzonderlijke molecuulvarianten verkregen door zogeheten atoomkrachtmicroscopie. Beeld: Leo Gross/IBM

Deze drie varianten hebben elk een nuttige toepassing. Ze kunnen een rol spelen in verschillende chemische reacties. ‘Dat maakt dit vormveranderende moleculaire systeem een Zwitsers zakmes met verschillende en nuttige chemische stukken gereedschap’, schrijven Igor Alabugin en Chaowei Humet, van de Florida State-universiteit in een bijbehorend Perspective-artikel.