Water blijkt ideaal smeermiddel voor nanomachines

De UvA-onderzoekers bepaalden de bewegingssnelheid van twee nanomachines, een moleculair wiel en een door licht aangedreven moleculaire motor. Beide machines bestaan uit slechts enkele tientallen atomen, en zijn ongeveer een miljardste meter groot. Om de nanomachines te bekijken, gebruikten de onderzoekers geavanceerde fysische technieken (kernspinresonantie en ultrasnelle lasers). Tijdens het onderzoek zweefden de machines rond in een organisch oplosmiddel (acetonitril).

Beetje water, twee keer zo snel

De onderzoekers ontdekten dat als je aan dit oplosmiddel een kleine hoeveelheid water toevoegt, de moleculaire machines veel sneller gaan bewegen. Drie procent water blijkt al genoeg 'smeermiddel' om de beweging meer dan twee keer zo snel te maken.
De onderzoekers voegden ook andere stoffen toe, maar hoe minder de toegevoegde stof op water lijkt, hoe minder goed zijn smerende werking is. Butanol, dat qua eigenschappen tussen water en smeerolie in zit, maakt de beweging zelfs langzamer.

Gebroken bruggen

Het is nog niet helemaal duidelijk waarom water zo'n goed smeermiddel is voor de onderzochte nanomachines. Waarschijnlijk heeft de smerende werking te maken met de waterstofbruggen (zwakke bindingen) tussen de groepjes atomen die de twee ten opzichte van elkaar bewegende delen van deze machines vormen. Om de machine te laten bewegen moeten deze waterstofbruggen tijdelijk openbreken. Dat gaat niet gemakkelijk: normaal gesproken zullen de twee losgeraakte helften van een gebroken waterstofbrug elkaar snel weer 'vastgrijpen', waardoor de machine niet snel in beweging komt. Wanneer water aanwezig is, kunnen de brughelften echter nieuwe waterstofbruggen vormen met de watermoleculen, in plaats van met elkaar. Daardoor blijven de waterstofbruggen tussen de beweegbare delen van de machine langer gebroken, waardoor de interne wrijving van de moleculaire machine vermindert en de beweging versnelt.

Watermoleculen hebben een geringe grootte, grote beweeglijkheid en ze vormen makkelijk waterstofbruggen. Daardoor zijn ze waarschijnlijk de ideale kandidaat om de machine te versnellen.

Bij toeval ontdekt

De experimenten zijn begonnen toen de onderzoekers merkten dat de moleculaire motoren met net wat verschillende snelheden bewogen, afhankelijk van de fles oplosmiddel die in het experiment gebruikt was. Al gauw bleek dat te komen door spoortjes water in het oplosmiddel. Als je een fles oplosmiddel een paar keer opent, lost er geleidelijk aan een heel klein beetje water uit de lucht in op. In sommige flessen was iets meer water terechtgekomen dan in andere, wat het verschil in snelheid veroorzaakte. Door meer water toe te voegen, wisten de onderzoekers het effect te versterken.