Anouk Rijs richt Nederlands sterkste infraroodlaser op moleculaire draden en ringen. Ze brengt rotaxanen in gasfase en wil dan de beweging ervan controleren en manipuleren. ‘Bij grote moleculen heb ik meer het idee dat ik met chemie bezig ben.’

In een kamertje bij het FOM Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein staat de meetapparatuur van Anouk Rijs, een ingewikkelde opstelling met meerdere lasers, een moleculaire bundel en een detector. Daarmee karakteriseert Rijs complexe moleculen. Even verderop neemt de trots van het instituut, Free Electron Laser for Infrared eXperiments (FELIX), een grote ondergrondse bunker in beslag. Deze sterkste infraroodlaser van ons land zet Rijs in voor haar onderzoek naar rotaxanen. Als enige ter wereld doet ze experimenten aan deze moleculen in de gasfase. Hiervoor heeft ze in 2006 een Veni­subsidie gekregen.

Rotaxanen vormen een bijzondere groep moleculen binnen de chemie. Deze grote moleculaire systemen bestaan uit een langwerpige keten met daaromheen een ringvormig molecuul. Grote groepen aan het einde van de keten voorkomen dat de ring van de keten afvalt. Sinds de jaren negentig is er steeds meer interesse in rotaxanen. Synthesemethodes verbeterden sterk en de eerste stappen zijn gezet om rotaxanen als moleculaire motor te laten werken. Intussen werken er wereldwijd een aantal onderzoeksnetwerken aan deze moleculen.

Hoe kwam je in het rotaxanenonderzoek terecht?

“Tijdens mijn promotieonderzoek aan de VU en UvA hoorde ik over een onderzoekspositie bij de UvA op rotaxanen. Ik promoveerde toen op fysisch chemisch onderzoek naar moleculen in de atmosfeer. Dat zijn echt heel kleine moleculen van maar twee of drie atomen. Bij grote moleculen heb ik meer het idee dat ik met chemie bezig ben, onderzoek aan kleine moleculen is snel erg fundamenteel. Het hele idee dat een moleculair systeem als motor kan werken, sprak me erg aan. Bovendien had de UvA een samenwerking met de universiteit van Santa Barbara (VS) en wilde ik ook graag naar het buitenland om ervaring op te doen.”

Hoe beviel je verblijf in Santa Barbara?

“Werken in Santa Barbara was heel fijn. Voor de chemie is het een heel goede universiteit, er lopen daar genoeg Nobelprijswinnaars rond, dus het niveau is hoog. Het klimaat is er aangenaam en de campus ligt aan het strand.

Ik was naar het buitenland gegaan om laserdesorptie te leren en toe te passen. Dat is een techniek om grote moleculen in de gasfase te brengen zonder ze uit elkaar te laten vallen. Je brengt de moleculen op een grafietstaaf, en met een zwakke laser schiet je op die staaf. Het grafiet absorbeert die warmte. Het rotaxaan komt in de gasfase en wordt dan meteen gekoeld, zodat het geen tijd heeft om uit elkaar te vallen.

In Santa Barbara ligt echt de basis van wat ik hier doe. Daar heb ik de fijne kneepjes van het vak geleerd. Terug in Nederland heb ik zowel op de UvA als bij FOM mijn eigen opstelling voor laserdesorptie gebouwd. Ik denk dat het goed is om als onderzoeker ten minste een keer een set­up gebouwd te hebben, zodat je precies weet hoe alles werkt en wat erbij komt kijken.”

Je behaalde daarmee een publicatie in Angewandte Chemie.

“Dat deed ik met mijn onderzoek als postdoc aan de UvA bij Wybren Jan Buma, voordat ik hier kwam werken. De draad in een rotaxaan is een erg groot en flexibel molecuul. In de gasfase kan die heel veel conformaties aannemen en elke conformatie heeft haar eigen excitatiespectrum. Dat resulteert dan in brede, overlappende pieken. De ring kun je gebruiken om de draad vast te zetten. Als je het rotaxaan laat afkoelen en daarna de ring er met een laser vanaf schiet, blijft de draad vastzitten in een conformatie. Dan is het mogelijk om een hoge resolutie­excitatiespectrum te meten van een erg flexibel molecuul, iets wat normaal niet zou werken.”

In je huidige onderzoek laat je die ring bewegen.

“Dat klopt. De ring zit niet los om de draad, maar gaat altijd waterstofbindingen aan. Het rotaxaan waar ik nu aan werk heeft twee ‘stations’ waar de ring kan zitten. De ring zit meestal op een van die twee, die met de sterkste bindingsaffiniteit. Mijn onderzoek richt zich nu helemaal op het loskomen van die ring. Dat kan het beste in de gasfase, omdat het rotaxaan dan niet wordt beïnvloed door de moleculen in een oplosmiddel. Met infraroodspectroscopie kijk ik welke waterstofbindingen de ring precies maakt met de draad. Die bindingen probeer ik dan te verbreken door bijvoorbeeld steeds meer methanol toe te voegen. Uiteindelijk wil ik dat de ring bijna loskomt en dat een lichtpuls het laatste zetje geeft om de ring los te breken, zodat die vrij kan gaan bewegen.”

Hoe kunnen die rotaxanen nu worden toegepast als moleculaire motor?

“Het grappige is dat een rotaxaan niet direct een motor is, maar tot een motor is te ontwikkelen. Mijn eigen onderzoek is meer fundamenteel. Het gecontroleerd laten bewegen van de ring over de draad is een eerste stap op weg naar toepassing als een motor. Er zijn al een paar voorbeeldjes waarin een rotaxaan echt een toepassing heeft. Het systeem wordt vooral gebruikt als moleculaire shuttle die op en neer kan bewegen. Er is een groot Europees samenwerkingsverband op het gebied van rotaxanen. Collega’s uit Groningen is het gelukt om met rotaxanen een druppel over een oppervlakte te laten bewegen.

De meeste toepassingen als motor zijn nog best ver weg. Het lichaam heeft er 4 miljard jaar over gedaan om te komen tot wat het nu is. Met het rotaxanenonderzoek zijn we pas een jaar of vijftien bezig, dus dit is nog maar het begin. Er is nog een hele wereld te ontdekken.”

Je werkt veel samen met buitenlandse groepen. Hoe bevalt dat?

“Drie of vier keer per jaar ga ik naar Lyon om experimenten te doen. Als ik daar ben, kan ik heerlijk 2 weken lang alleen maar onderzoek doen. Hier heb ik natuurlijk ook allerlei andere taken, waardoor fulltime experimenteren niet altijd mogelijk is. Het leuke van samenwerken is dat je veel leert van anderen. Het is niet 1+1=2 maar 1+1=3. Ik heb scheikunde gestudeerd, Isabelle Compagnon – met wie ik in Lyon samenwerk – natuurkunde. Dat is net een iets andere manier van werken. In Frankrijk kan ik experimenten doen met een iontrap. Daarmee kan ik de rotaxanen een lading geven en dan secondelang vasthouden in een elektrisch veld. Zo’n apparaat wil ik uiteindelijk ook hier bouwen.

Daarnaast heb ik nog steeds een samenwerking met Mattanjah de Vries, de hoogleraar uit Santa Barbara bij wie ik te gast was. Tegenwoordig komt hij vaker hierheen dan andersom, omdat mijn opstelling hier aan FELIX is gekoppeld. Wat ik hier heb gebouwd is toch een verbetering van wat er in Californië staat. Je haalt de fouten van eerdere versies eruit.

Rijnhuizen is erg populair bij binnen­ en buitenlandse onderzoeksgroepen vanwege de FELIX. Onze vakgroep krijgt ongeveer 25 procent van de bundeltijd van die laser. Zelf mag ik ook een paar avonden per maand gebruikmaken van de laser. Daar moet ik mijn experimenten op plannen. Als er een buitenlandse groep op bezoek komt, dan krijgt die ook bundeltijd toegewezen.”

Je hebt ook een kinderlezing gegeven in NEMO.

“Dat was erg leuk. Er is een samenwerking tussen de UvA en NEMO waarin wetenschappers lezingen geven aan jonge kinderen. NEMO kwam met het idee voor een lezing over lasers, zelf heb ik de lezing uitgewerkt en samen met NEMO allerlei proefjes ontwikkeld voor de kinderen. Voor die lezing was ik misschien wel zenuwachtiger dan voor alle andere lezingen die ik heb gegeven, omdat ik echt niet wist wat ik kon verwachten. Er waren ongeveer zestig kinderen en er was heel veel interactie. Vanaf het moment dat ik begon kwamen de kinderen met vragen. Het was leuk om dingen op een simpele manier uit te leggen. Later heb ik diezelfde lezing ook op een open dag op Rijnhuizen gegeven en ik zou wel vaker zoiets willen doen.”

Bron: C2W3, 21 februari 2009