Nauka

Nagroda Nobla z chemii za molekularne maszyny

Caroline Davis2010 / Flickr CC by 2.0
Tegoroczną nagrodę Nobla z chemii otrzymało trzech badaczy: Francuz Jean-Pierre Sauvage, Brytyjczyk, pracujący obecnie w USA, Sir J. Fraser Stoddart i Holender Bernard L. Feringa. Wszyscy trzej zaprojektowali i wykonali molekularne maszyny.

W 1983 roku Sauvage opisał skonstruowany przez siebie poruszający się względem siebie łańcuch dwóch cząsteczek, nazwany przez niego katenanem (od lacinskiego catena – lancuch). Nie dość, że powstała w ten sposób nieistniejąca dotąd w naturze supercząsteczka, to jeszcze jej dwie składowe (ogniwa owego molekularnego łańcucha) połączone były nieistniejącym dotąd wiązaniem chemicznym, stworzonym przez człowieka wiązaniem mechanicznym, polegającym na zaczepieniu o siebie dwóch molekularnych ogniw. Sprzężone ze sobą ogniwa molekularne poruszały się względem siebie podobnie jak dwa ogniwa znanego nam zwykłego łańcucha.

To był przełom. Po raz pierwszy uzyskano sprzężone za sobą na stałe cząsteczki materii, które mogły poruszać się względem siebie. 10 lat później Savage i jego ekipa zbudowali katenan, w którym jedno z ogniw po dostarczeniu energii z zewnątrz obracało się w stosunku do drugiego w kontrolowany przez naukowców sposób. Tak powstał prototyp molekularnego motoru.

Stosując wymyśloną przez siebie metodę syntezy katenanów, Sauvage budował bardziej skomplikowane struktury łączące trzy lub więcej ogniw o rożnym kształcie. Dziś istnieje wiele takich cząsteczek, a ich badaniem zajmuje się cała nowa dziedzina chemii powołana do życia przez Francuza – chemia topologiczna.

Fraser Stoddart użył zupełnie innego podejścia, aby skonstruować w roku 1991 inną molekularną maszynę – rotaxane. Jest to zespolony ze sobą na stałe układ dwóch cząsteczek: pierścienia nadzianego na oś, nazwijmy ją tu dla lepszego zobrazowania „patyczkiem”. Pierścień pozbawiony był ładunku elektrycznego, „patyczek” zaś miał go nadmiar.

Obie cząsteczki po zmieszaniu w roztworze spontanicznie łączyły się w ten sposób, że pierścień nadziewał się na „patyczek”. Teraz wystarczyło powiększyć na drodze syntezy chemicznej końce „patyczka” tak, by pierścień nie mógł z niego wypaść, lecz aby pozostawał luźno z nim związany. Rotaxan był gotowy.

Usprawniając kolejne wersje rotaxanu, Stoddart mógł w pełni kontrolować ruchy pierścienia na molekularnym „patyczku”. Pierścień przeskakiwał z jednego miejsca na patyczku w drugie. Wykorzystując ten rodzaj wzajemnego kontrolowanego ruchu, Stoddart zbudował molekularną windę.

Jej trzy połączone ze sobą pierścienie przesuwają się po trzech połączonych ze sobą „patyczkach”, pokonując dystans 0,7 nm, zupełnie tak samo jak windy i podnośniki znane nam z naszej skali makro. Na tej samej zasadzie działa też skonstruowany przez niego chip komputerowy o mocy 20kB i molekularny mięsień zginający bardzo cienką wstążkę złota.

Trzeci z noblistów, Bernard Feringa, zastosował jeszcze inny podstęp. Aby zbudować prawdziwy molekularny silnik, połączył ze sobą dwie asymetryczne cząsteczki w ten sposób, że mogły one przemieszczać się względem siebie tylko w jedna stronę.

Zastosował światło ultrafioletowe do wzbudzania tego przemieszczenia. Zmiana konformacji powodowała, ze układ wytwarzał i gromadził napięcie mechaniczne. Kolejne naświetlenie tego molekularnego układu powodowało usuwanie napięcia i powrót do stanu wyjściowego przez przemieszczenie jednej cząsteczki względem drugiej.

Tak samo dzieje się w silniku, w którym pchany siłą kontrolowanego mikrowybuchu w cylindrze tłok wykonuje ruch w jedną stronę i ponownie wraca na swoje miejsce. Molekularny silnik Feringi napędzany jest nie benzyną, a światłem.

Odpowiednio łącząc ze sobą większą liczbę podobnych, asymetrycznych cząsteczek, w roku 2011 Feringa i jego współpracownicy zbudowali pierwszy molekularny samochód poruszający się po gładkiej powierzchni na czterech molekularnych kolach zgodnie z wolą operatora.

Cząsteczki wymyślone i zbudowane w laboratoriach przez trzech noblistów mogą być łączone w większe kompleksy. Pod wpływem działania światła ultrafioletowego struktury te wykonują ruchy, zwijając się w kłębki. Takie kłębki mają więc zgromadzona w sobie energię, którą przechowują w swym wnętrzu. Teraz naukowcy myślą nad tym, jak skoordynować uwalnianie tej energii, tak aby uzyskać nowego typu baterię pozwalającą na gromadzenie i używanie w dowolnym czasie energii skondensowanej w strukturze molekularnych maszyn.

Zbudowana na tej zasadzie bateria czy akumulator może okazać się już w niedalekiej przyszłości pierwszym praktycznym zastosowaniem wyróżnionych dziś przez Komitet Noblowski molekularnych maszyn.

Tak jak na początku XIX wieku pierwsze maszyny elektryczne poruszające na publicznych pokazach ku uciesze gawiedzi jakieś kółka bez udziału człowieka czy zwierząt pociągowych wydawały się zwykłymi zabawkami, tak dziś molekularne maszyny mogą wydawać się zaledwie zabawkami konstruowanymi przez hobbystów. Pierwsze latające maszyny też uznane były za fanaberie. Jednak i jedne, i drugie bardzo szybko zmieniły całą naszą cywilizację, dając nam pociągi, samochody i samoloty.

Dzisiejsza decyzja Komitetu Noblowskiego potwierdza, że potencjał nowych molekularnych maszyn jest przeogromny i dziś jeszcze trudno wyobrażalny. Poza wspomnianymi wyżej ogniwami mogą one szybko znaleźć zastosowania w bardzo wielu dziedzinach, od budowy nowego typu komputerów po „inteligentne” lekarstwa na raka dostarczane wyłącznie do chorych komórek rakowych, a omijające zdrowe komórki organizmu.

Molekularne maszyny, których twórcy zostali dziś wyróżnieni nagrodą Nobla, w oczywisty sposób wykraczają daleko poza tę dziedzinę nauki.

***

Jacek Kubiak pracuje w CNRS, Université Rennes 1 we Francji i w Wojskowym Instytucie Higieny i Epidemiologii w Warszawie.

Więcej na ten temat
Reklama

Czytaj także

Świat

Dekolonizacja Pacyfiku trwa. Jest nowe nowe państwo

20 lat po zakończeniu wojny domowej Bougainville 98 proc. uczestników referendum opowiedziało się za niepodległością. Na razie jednak trudno być optymistą, co do przyszłości tego niewielkiego kraju.

Dominik Sipiński
11.12.2019
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną