Lichtgedreven moleculaire motoren zijn fascinerend, maar om ze te laten draaien heeft het motorgedeelte veel substituenten nodig of moet je hoogenergetisch (blauw of uv-) licht gebruiken. Dit type licht heeft echter niet veel doordringend vermogen, wat het praktische gebruik van de motoren beperkt. Jinyu Sheng, Hong Zhang, Ben Feringa en hun collega’s van de Universiteit van Amsterdam (UvA) en de Rijksuniversiteit Groningen (RUG) zijn er echter in geslaagd om nabij-infrarood (NIR) licht voor dit doel te gebruiken. Het geheim lag in upconverting nanodeeltjes (UCNP’s).

‘We wisten dat je UCNP’s kan gebruiken om nabij-infrarood licht om te zetten in UV- of zichtbaar licht, maar dit was nog nooit eerder geprobeerd in motorsystemen’, zegt Jinyu Sheng, die zijn doctoraat en postdoc in de Feringa-groep in Groningen heeft afgerond en nu professor is aan de Soochow-universiteit in China. ‘We zijn de samenwerking met professor Zhang eigenlijk begonnen met een ander project van een collega, maar we bleven denken dat we UCNP’s ook voor motoren moesten proberen.’

Uniek

De onderzoekers waren ervan overtuigd dat het zou werken; ze moesten alleen nog een geschikte motor vinden. ‘Eerder hadden we moleculaire motoren ontwikkeld die al aan verschillende van onze eisen voldeden’, vervolgt Sheng. ‘We hebben deze getest en tot onze verbazing werkte het concept meteen perfect!’ Dit betekent dat je NIR kunt gebruiken om ingewikkelde bewegingen uit te voeren met moleculen die heel anders zijn dan fotoschakelaars. ‘Het is iets heel unieks.’

Sheng benadrukt de ‘fijne en succesvolle samenwerking’. ‘We hadden het geluk dat we professor Zhang vonden; hij leverde hoogwaardige nanodeeltjes die door zijn promovendus waren ontwikkeld.’ Hong Zhang, hoogleraar bionanofotonica aan de Universiteit van Amsterdam (UvA), zegt dat de uitdaging van dit werk in wezen lag in het op elkaar afstemmen van het uitgezonden en geabsorbeerde licht. ‘De moleculaire motoren moeten voldoende licht absorberen, terwijl de energieoverdracht van de nanodeeltjes zo hoog mogelijk moet zijn. Tegelijkertijd moet het uitgezonden licht ook sterk genoeg zijn om de motor te laten draaien.’

Vlees

Toepassingen zijn waarschijnlijk dichterbij dan gedacht. ‘We hebben deze nanodeeltjes al eens gebruikt om kanker te behandelen in een diermodel’, zegt Zhang. ‘Dat betekent dat we gemakkelijk de volgende stap kunnen zetten en de motoren kunnen toevoegen, die je kunt aanpassen om een specifieke functie uit te voeren. Dit werk opent de weg naar allerlei mogelijkheden in biosystemen.’

De onderzoekers onderzochten verder of NIR door weefsels zoals vlees kon gaan met behoud van voldoende energie om moleculaire rotatie in oplossing te activeren. ‘Sommige eerste pogingen mislukten, waarschijnlijk omdat het vlees te dik was’, zegt Sheng. Omdat Sheng kort na zijn afstuderen Nederland verliet, kon het team geen verdere proeven uitvoeren. ‘Als we een heel dun plakje vlees hadden gebruikt, denk ik dat het wel gelukt zou zijn. Maar dit is vooral proof-of-concept-werk, dus er valt nog veel te onderzoeken.’

Een van de resterende uitdagingen is ervoor te zorgen dat de energieoverdracht efficiënt blijft in verschillende media, met name biologische systemen, die complexer zijn dan oplossingen. ‘Een andere uitdaging is een manier te vinden om de motor en de nanodeeltjes beter met elkaar te vermengen om de efficiëntie van de energieoverdracht te waarborgen’, zegt Sheng. ’Vervolgens moeten we een systeem ontwerpen om te zien wat de motor kan doen.’

Deuren

‘Als je alleen geïnteresseerd bent in lichtgedreven motoren, staan de deuren nu open in de fotochemie in biosystemen’, zegt Zhang. ‘We hebben al eerder aangetoond dat we nauwe nabijheid en energie-efficiëntie kunnen garanderen.’ De belangrijkste boodschap van Zhang is dat ze een eenvoudige strategie hebben ontwikkeld om NIR te gebruiken om de interactie tussen sensibiliserende moleculen en zuurstof te induceren, zodat singletzuurstof in biosystemen wordt gegenereerd.

Sheng, J. et al. (2025) JACS 147(30), DOI: 10.1021/jacs.5c07953