Nobel z chemii za molekularne maszyny – napęd nanotechnologii

Nazwiska laureatów ogłosił w środę w Sztokholmie Królewska Szwedzka Akademia Nauk. Sauvage, Stoddart i Feringa podzielą się po równo nagrodą w wysokości 8 mln koron szwedzkich (około 850 tysięcy euro).

Maszyny molekularne, nad którymi pracowali nobliści, "będą najprawdopodobniej wykorzystywane w rozwoju nowych materiałów, czujników i systemów przechowywania energii" - podkreśliła w uzasadnieniu Akademia.

Sauvage (ur. w 1944 r.) jest emerytowanym profesorem University of Strasbourg i dyrektorem ds badań we francuskim CNRS. Stoddart urodził się w 1942 r. w Edynburgu w W. Brytanii, a teraz jest profesorem chemii na Northwestern University w Evanston (Illinois, USA). Feringa (ur. w 1951 r.) jest profesorem chemii organicznej na holenderskim uniwersytecie w Groningen.

Początek nanotechnologii dał w latach 50. XX wieku wykład Richarda P. Feynmana „There\'s Plenty Room at the Bottom” (w wolnym tłumaczeniu „Tam na dole jest jeszcze dużo miejsca”. Wyobrażając sobie, jak zmieścić 24-tomową Encyklopedię Britannica na łebku szpilki, Feynman przedstawił koncepcję miniaturyzacji oraz możliwości tkwiące w wykorzystaniu technologii operującej na poziomie nanometrowym (nanometr to jedna miliardowa metra). Chodzi na przykład o budowę miniaturowych, samopowielających się nanomaszyn (jak dowodzi istnienie bakterii, wirusów czy komórek naszego ciała, jest to jak na najbardziej realne).

Aby budować nanomaszyny, trzeba było najpierw stworzyć ich elementy składowe.

Pierwszy krok na drodze ku molekularnym maszynom zrobił w roku 1983 Jean-Pierre Sauvage – dzięki wykorzystaniu jonu miedzi udało mu się połączyć dwie cząsteczki o kształcie pierścienia w (raczej krótki) łańcuch, zwany katenanem (od łacińskiego słowa „catena”, oznaczającego właśnie łańcuch). Dzięki jonom metali chemikom udawało się zwijać cząsteczki także w inne skomplikowane struktury – łańcuchy i węzły, przypominające węzeł celtycki, pierścienie Boromeuszy czy węzeł Salomona.

Zwykłe cząsteczki połączone są mocnymi wiązaniami kowalencyjnymi - atomy dzielą się swoimi elektronami. Jednak w przypadku łańcucha połączenie jest bardziej swobodne - natury mechanicznej. Aby maszyna mogła działać, jej części składowe muszą mieć możliwość poruszania się względem siebie – tak jak w przypadku ogniw łańcucha.

Kolejny krok wykonał w 1991 roku kolejny z tegorocznych noblistów Fraser Stoddart – udało mu się uzyskać rotaksan. Nasadził molekularny pierścień (ubogi w elektrony) na cienką molekularną oś (mającą elektronów aż nadto) i zademonstrował, że może się on na tej osi obracać. Wśród opartych na rotaksanie dzieł Stoddarta są: molekularna winda (pozwalająca unieść ładunek na wysokość 0,7 nanometra), molekularny mięsień zginający cieniutką złotą blaszkę oraz chip komputerowy – pamięć o skromnej pojemności 20 kilobajtów, jednak mająca wyjątkowo małe elementy składowe.

Trzeci z noblistów Bernard L. Feringa z uniwersytetu w Groningen (Holandia) był pierwszą osobą, która skonstruowała silnik molekularny. W roku 1999 zbudował molekularny wirnik kręcący się stale w tym samym kierunku – w najnowszej wersji osiąga 12 milionów obrotów na sekundę. Używając molekularnych silników udało mu się obracać szklany cylinder o długości 28 mikrometrów - 10 000 razy większy od silnika, a nawet zbudować nanosamochód - cztery molekularne silniki zamocowane do molekularnej ramy.

Jak oceniają eksperci, pod względem zawansowania molekularne silniki są na tym samym poziomie, co silniki elektryczne w latach 30. XIX wieku. Budowane wówczas maszyny elektryczne ledwo się obracały, wydawały się ciekawostką - nikt nie przypuszczał, że w przyszłości będą wszechobecne, dadzą napęd pociągom, pralkom, wentylatorom, mikserom czy dronom.

Jak zauważyła w środę Królewska Szwedzka Akademia Nauk, maszyny molekularne „będą najprawdopodobniej wykorzystywane do opracowania nowych materiałów, czujników oraz systemów magazynowania energii”. Śmielsze pomysły na wykorzystanie nanotechnologii mieli pisarze science fiction. W wydanej w roku 1982 „Wizji lokalnej” Stanisław Lem opisał społeczeństwo Luzanów na planecie Encji, które dzięki niemal wszechobecnym „bystrom” – elementom logicznym wielkości dużych molekuł - chronione jest przed chorobami, a nawet samo przed sobą. Złożona z bystrów „etykosfera” udaremnia przemoc wobec innych członków społeczeństwa. Molekularne roboty potrafią w tej powieści tworzyć wszelkie przedmioty, jakich zażyczyłby sobie Luzanin, a nawet – stopniowo zastępując jego naturalne ciało sztucznym - obdarzyć go nieśmiertelnością.

Na razie naukowcom udało się zbudować (w roku 2013) na przykład napędzanego rotaksanem molekularnego robota, który potrafi chwytać i łączyć aminokwasy, tworząc peptydy. Powstała także sieć polimerów z silnikami molekularnymi. Pod wpływem światła silniki splątują polimery - zjawisko to może znaleźć zastosowanie w czujnikach wykrywających światło, jak również jako sposób magazynowania energii.

Paweł Wernicki(PAP)

pmw/ agt/