Onderzoekers van de TU/e zijn erin geslaagd een proces van moleculaire zelfassemblage over verschillende routes te volgen en te sturen. Waar voorheen werd gedacht dat de moleculen als vanzelf de juiste structuur vormen, laat dit onderzoek zien dat de assemblage verschillende routes kan volgen, met verschillende resultaten; in dit geval links- en rechtsdraaiende polymeerketens. De nieuwe inzichten zijn van groot belang voor het begrip van supramoleculaire polymeren, waarin kleine verschillen in de manier waarop moleculaire bouwblokjes zijn gestapeld, grote invloed hebben op de materiaaleigenschappen. De resultaten staan vanaf gisteren online bij Nature. Eerste auteur van het artikel is ir. Peter Korevaar (25) die promotieonderzoek doet onder begeleiding van dr. ir. Tom de Greef, en prof.dr. Bert Meijer, Spinozaprijswinnaar in 2001.

Bij moleculaire zelfassemblage organiseren moleculaire bouwblokjes zichzelf tot een structuur, een zogeheten supramoleculaire structuur. In de levende natuur komt dit veel voor, bijvoorbeeld bij de vorming van celmembranen. Het beheersen van de principes van moleculaire zelfassemblage opent de deur naar het creëren van totaal nieuwe materialen met heel bijzondere eigenschappen, bijvoorbeeld zelfreparerende coatings. De eigenschappen van deze materialen worden sterk beïnvloed door de manier waarop de bouwblokjes gestapeld zijn; een klein verschil in stapeling kan tot heel andere eigenschappen leiden. Daarom is het van groot belang het assemblageproces in detail te begrijpen en subtiel te kunnen manipuleren.

Korevaar en zijn mede-onderzoekers gebruiken voor hun experimenten een moleculair bouwblokje dat makkelijk te bestuderen is via spectroscopie: S-chiraal oligo(p-phenyleenvinyleen), ofwel SOPV. Dit soort moleculen wordt vaker gebruikt in organische elektronica, waarbij kleine verschillen in de stapeling grote verschillen in materiaaleigenschappen opleveren. SOPV vormt bij de start van het assemblageproces eerst wanordelijke clustertjes, welke vervolgens doorgroeien in keurig gestapelde linksdraaiende ‘wenteltrappen’.

Tot nog toe werd aangenomen dat de zelfassemblage van een molecuul maar één eindproduct kan opleveren en dat de tussenliggende processtappen er niet toe deden, en te snel verliepen om überhaupt te bestuderen, aldus De Greef.  Dit blijkt nu een misvatting: de tussenliggende processtappen zijn van groot belang en leiden tot verschillende varianten. Zo bleek dat wanneer het assemblageproces van SOPV snel plaats vindt, er wenteltrappen met omgekeerde draairichting gevormd worden. Door tijdelijke toevoeging van wijnsteenzuur, een klein molecuul dat aan de SOPV moleculen klikt, kan het assemblageproces volledig richting deze alternatieve vorm worden gestuurd. Gedetailleerde studies laten zien dat de twee verschillende wenteltrappen elkaar beconcurreren op de beschikbare moleculen als bouwsteen. Korevaar: “Deze kennis heeft belangrijke consequenties voor de optimale zelfassemblage en kunnen we nu gaan gebruiken voor meer toegepaste supramoleculaire systemen, die veel minder gemakkelijk te volgen zijn.”

Korevaar doet zijn onderzoek bij het Institute for Complex Molecular Systems (ICMS) van de TU Eindhoven. Het ICMS is een instituut dat topwetenschappers uit meerdere disciplines bijeenbrengt rond de vraag: in hoeverre kunnen we grip krijgen op moleculaire zelfassemblage?

Nature behoort met een 5-jaar impactfactor van 35 tot de absolute top van wetenschappelijke journals wereldwijd. Het is niet de eerste keer dat de groep van Bert Meijer met het SOPV-systeem een toptijdschrift haalt. In 2006 stond een publicatie in het blad Science (5-jaar impactfactor 31). Korevaar won in 2010 de Unilever Research Prize 2010 voor zijn afstudeerwerk aan de TU/e.

Het artikel Pathway Complexity in Supramolecular Polymerization is op 18 januari 2012 online verschenen op de website van Nature, en zal binnenkort ook in de papieren editie verschijnen. De auteurs zijn Peter Korevaar, Subi George, Bart Markvoort, Maarten Smulders, Peter Hilbers, Albert Schenning, Tom de Greef en Bert Meijer, allen van de TU/e. Het DOI-nummer is 10.1038/nature10720.