Azobenzeen: het moleculaire schakelaartje dat luistert naar licht
Stel je een klein hangslotje voor dat niet met een sleutel opengaat, maar met een lichtstraal. Schijn je er ultraviolet licht op, dan klapt het om van vorm. Schijn je er ander licht op, of laat je het gewoon een tijdje liggen, dan klapt het vanzelf weer terug. Zoiets is azobenzeen: geen slot, maar een molecuul dat van vorm verandert zodra het licht van de juiste kleur opvangt.
Dat klinkt misschien als een curiositeit voor in het scheikundelab, maar het is precies dat schakelgedrag waar onderzoekers wereldwijd al decennia mee spelen. Een molecuul dat op afstand, zonder kabels of chemicaliën, aan- en uitgezet kan worden met licht is namelijk enorm bruikbaar: in medicijnen die alleen werken waar je licht op schijnt, in materialen die van vorm veranderen als kunstmatige spieren, en zelfs in systemen die zonne-energie chemisch opslaan. Azobenzeen duikt daarom steeds vaker op in nieuws over toekomsttechnologie, ook al bestaat het molecuul zelf al meer dan honderd jaar.
Wat is het precies?
Azobenzeen is een relatief eenvoudig molecuul: twee ringvormige koolstofstructuren (benzeenringen, ook wel fenylgroepen genoemd) die aan elkaar vastzitten via twee stikstofatomen met een dubbele binding ertussen, de zogeheten azogroep (N=N). Die azogroep is de kern van het verhaal.
Een dubbele binding tussen twee atomen kan namelijk op twee manieren "staan", vergelijkbaar met een scharnier dat je in twee standen kunt vastzetten. In de ene stand, trans genoemd (ook wel E-vorm), wijzen de twee benzeenringen in tegengestelde richting: het molecuul is dan lang, recht en staafvormig. In de andere stand, cis genoemd (Z-vorm), wijzen beide ringen naar dezelfde kant: het molecuul vouwt als het ware dubbel en wordt korter en gebogen.
De trans-vorm is van nature het stabielst en komt in het donker vanzelf voor. Schijn je er ultraviolet licht op, meestal met een golflengte rond de 350 tot 370 nanometer (een maat voor de kleur van het licht, ver buiten wat het menselijk oog kan zien), dan absorbeert het molecuul die energie en klapt het om naar de cis-vorm. Belicht je het daarna met een andere kleur licht, vaak blauw licht rond de 420 tot 450 nanometer, of wacht je gewoon lang genoeg, dan valt het molecuul vanzelf weer terug naar de stabiele trans-vorm.
Hoe lang de cis-vorm "blijft hangen" voordat hij vanzelf terugklapt, kan enorm verschillen: van milliseconden tot jaren, afhankelijk van welke extra atomen chemici aan de benzeenringen vastplakken. Die instelbaarheid maakt azobenzeen zo aantrekkelijk als bouwsteen: het is in feite een moleculaire schakelaar waarvan je de eigenschappen kunt afstemmen op de toepassing.
Wat wil men ermee bereiken?
Het achterliggende idee is simpel: licht is een bijzonder handig stuurmiddel. Je kunt het heel precies richten, aan- en uitzetten, en het bereikt plekken zonder dat er een draad, buisje of naald voor nodig is. Als je een systeem met azobenzeen bouwt, krijg je in feite een op afstand bedienbare schakelaar ingebouwd in een medicijn, een materiaal of een chemische opslag.
In de geneeskunde wil men hiermee bijvoorbeeld medicijnen maken die alleen actief zijn op de plek waar je licht op schijnt, zodat de rest van het lichaam minder bijwerkingen ondervindt. In materiaalkunde wil men oppervlakken en vezels maken die op commando van vorm veranderen, zoals kunstmatige spieren of zelfreinigende coatings. En in de energiewereld onderzoekt men of je zonlicht chemisch kunt "opslaan" in de vorm van de gespannen cis-vorm van het molecuul, om die energie later als warmte weer vrij te geven.
De gemeenschappelijke belofte is dus precisie: niet een schakelaar die overal en altijd aanstaat, maar een die je in tijd en plaats nauwkeurig kunt sturen. Dat is aantrekkelijk voor toepassingen waar je juist niet wilt dat een stof, materiaal of reactie continu actief is.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste voorbeelden komt uit de zogeheten fotofarmacologie, het vakgebied dat medicijnen met ingebouwde lichtschakelaars ontwikkelt. Onderzoekers Richard Kramer (Universiteit van Californië, Berkeley) en Dirk Trauner (destijds Ludwig-Maximilians-Universität München) publiceerden rond 2012 werk aan een stof genaamd AAQ, die aan blinde muizen werd toegediend om hun beschadigde netvlies weer gevoelig te maken voor licht. De azobenzeen-schakelaar in die stof bepaalde of een ionkanaal in de netvliescel openstond of niet.
Een tweede voorbeeld ligt op het gebied van zonne-energieopslag. Onderzoeksgroepen, waaronder die van Jeffrey Grossman aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT), experimenteerden vanaf ongeveer 2011 met azobenzeen-moleculen die zijn vastgemaakt aan koolstofnanobuisjes en grafeen. Het idee: zonlicht klapt de moleculen naar hun energierijke cis-vorm, en die energie komt later als warmte weer vrij, een soort chemische warmtebatterij.
Een derde voorbeeld is te vinden in vloeibare kristalmaterialen: dunne polymeerfilms waarin azobenzeen-moleculen zijn ingebouwd, die bij belichting krimpen, buigen of golven. Onderzoeksgroepen zoals die van Dirk Broer en Albert Schenning aan de Technische Universiteit Eindhoven werken al jaren aan dit soort lichtgestuurde materialen, die worden onderzocht voor toepassingen als kunstmatige spieren, kleine "lopende" robotjes en zelfaanpassende oppervlakken.
Daarnaast is azobenzeen al sinds de jaren negentig een veelgebruikt bouwsteen in onderzoek naar optische gegevensopslag, waarbij belichting met gepolariseerd licht microscopisch kleine patronen in een polymeerfilm "schrijft". En in de farmaceutische chemie werken groepen rond onder meer Ben Feringa (Rijksuniversiteit Groningen) aan lichtgestuurde antibiotica, waarbij een azobenzeen-schakelaar de werkzaamheid van het antibioticum aan- of uitzet, met als doel resistentie tegen te gaan doordat het middel alleen actief is waar en wanneer nodig.
Hoe ver is de techniek?
De scheikunde van azobenzeen zelf is allesbehalve nieuw: het molecuul en zijn licht-isomerisatie zijn al sinds het begin van de twintigste eeuw bekend, en azoverbindingen worden al langer dan een eeuw industrieel gebruikt als kleurstof, onder meer in textiel. Wat de laatste decennia is veranderd, is dat chemici steeds beter leren hoe ze de eigenschappen van het schakelaartje kunnen afstemmen: welke golflengte licht nodig is, hoe lang de cis-vorm stabiel blijft, en hoe je het molecuul veilig in een medicijn of materiaal inbouwt.
De belangrijkste praktische horde is dat de klassieke schakeling ultraviolet licht vereist, en dat licht dringt slecht door in menselijk weefsel en kan cellen beschadigen bij langdurig gebruik. Daarom wordt veel onderzoek gedaan naar "roodverschoven" varianten van azobenzeen die al reageren op zichtbaar of zelfs nabij-infrarood licht, dat dieper in weefsel doordringt en minder schadelijk is. Een tweede uitdaging is duurzaamheid: sommige azobenzeen-varianten verliezen na honderden schakelcycli aan efficiëntie, wat een probleem is voor toepassingen die jarenlang moeten meegaan.
Voor de meeste toepassingen die hierboven zijn genoemd, geldt dat ze zich nog in de onderzoeksfase bevinden: er zijn overtuigende laboratoriumresultaten en dierproeven, maar nog geen goedgekeurde geneesmiddelen of commerciële zonne-energiesystemen op basis van azobenzeen op de markt. Uitzondering zijn enkele industriële toepassingen van azo-kleurstoffen en optische coatings, die al langer gangbaar zijn, al gaat het daarbij niet altijd om het schakelgedrag zelf maar om de kleurstofeigenschappen. Kortom: het onderliggende principe is rijp, de vertaling naar eindproducten grotendeels nog niet.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar azobenzeen en verwante lichtschakelaars is verspreid over een groot aantal universiteiten en instituten wereldwijd. In de Verenigde Staten spelen onder meer de University of California, Berkeley, en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) een rol, met werk aan respectievelijk fotofarmacologie en moleculaire zonne-energieopslag. In Duitsland doet de Humboldt-Universität zu Berlin, met de groep van Stefan Hecht, gedegen fundamenteel werk aan het ontwerpen van stabielere en beter afstembare azobenzeen-varianten.
In Nederland is de Technische Universiteit Eindhoven een belangrijk centrum voor lichtgestuurde vloeibare kristalmaterialen, en werkt de Rijksuniversiteit Groningen, bekend van het Nobelprijswinnende werk aan moleculaire machines, aan lichtgestuurde chemische schakelaars in bredere zin. Onderzoek naar dit soort moleculaire schakelaars wordt daarnaast regelmatig gefinancierd via Europese programma's zoals Horizon Europe, die grensoverschrijdende samenwerking tussen universiteiten stimuleren.