Kiedy w ubiegłym roku laureatami Nobla zostali Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart i Bernard "Ben" Feringa - pisaliśmy, że nagrodę przyznano "twórcom niewidocznych maszyn". Teraz okazuje się, że te docenione przez komitet noblowski maszyny - chociaż są nanometrowych rozmiarów (czyli wielkości liczonej w milionowych częściach milimetra) - nie muszą być całkiem niewidoczne. Dzięki badaniom, prowadzonym m.in. dr. Bartosza Krajnika z Politechniki Wrocławskiej - okazuje się, że ruch takich maszyn można obserwować pod mikroskopem optycznym.

W badaniach wykorzystano motory molekularne zaprojektowane i zsyntezowane w grupie ubiegłorocznego noblisty Bena Feringi. Są to cząsteczki organiczne, w których można wyróżnić stator i rotor. Kiedy taką molekułę oświetli się światłem UV z lasera, rotor zaczyna się kręcić wokół łączącego go ze statorem wiązania – trochę jak jedno odgięte w górę śmigło helikoptera albo wskazówka zegara.

Wcześniej było wiadomo, że motory molekularne się obracają, ale ich ruchu nie obserwowano bezpośrednio. Teraz się udało! Dr Bartosz Krajnik podczas swojego stażu podoktorskiego na belgijskim Katolickim Uniwersytecie w Leuven zaobserwował po raz pierwszy obroty takich motorów. Badania, których jest pierwszym autorem, ukazały się w maju w czasopiśmie JACS http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b02758

"Kiedy patrzymy na obraz z mikroskopu, widzimy dziesiątki wzorów, które się obracają. To spektakularne, jeśli zdamy sobie sprawę, że to są pojedyncze, rotujące molekuły! A w dodatku ruchem tych molekuł możemy sterować za pomocą światła" - komentuje w rozmowie z PAP Krajnik. I dodaje: "Te badania to kolejny krok w kierunku kontroli maszyn molekularnych".

Wydawałoby się, że pod zwykłym mikroskopem optycznym nie ma możliwości zaobserwowania ruchu pojedynczych cząsteczek. Są one przecież mniejsze, niż rozdzielczość takiego urządzenia. Można się jednak uciec do podstępu. Do molekuły można przyczepić znacznik fluorescencyjny, który świeci oświetlony np. zielonym laserem. Wówczas, za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego można zaobserwować pojedyncze cząsteczki jako świecące punkty, podobnie jak obserwuje się gwiazdy na nocnym niebie.

W doświadczeniu, które prowadził dr Krajnik, użyto odpowiednio przymocowanych do podłoża nanomotorów ze znacznikami fluorescencyjnymi. Oświetlało się je światłem dwóch laserów - zielonego - aby molekuły zaczęły świecić - i ultrafioletowego - aby wprawić je w ruch. "Samo przygotowanie próbek wymagało od nas 9 godzin ciągłej pracy, po czym należało natychmiast rozpocząć eksperyment" - wspomina naukowiec.

W doświadczeniu wykorzystano tzw. technikę defocused wide-field imaging. "Jeśli się rozogniskuje obraz w mikroskopie w odpowiedni sposób, na kamerze zaczyna być widoczny wzór, dzięki któremu można ustalić orientację cząsteczki w przestrzeni" - opisuje rozmówca PAP.

Z teorii wynika, że wszystkie nanomotory powinny się kręcić w jednym kierunku. "Na razie nie byliśmy tego w stanie udowodnić – rozdzielczość czasowa w eksperymencie była zbyt mała. Nie wiemy więc, ile obrotów wykonała cząsteczka pomiędzy zarejestrowanymi klatkami filmu" – opowiada dr Krajnik. Można to porównać do filmowania kręcącego się śmigła helikoptera - ono też potem na filmie zdaje się poruszać w innym tempie, niż ma to miejsce w rzeczywistości. „Kamera może rejestrować obraz nawet co 10 ms, ale w tak krótkim oknie czasowym, nie zarejestrowalibyśmy odpowiednio dużej ilości światła. To w końcu pojedyncze molekuły!” – dodaje dr Krajnik.

Maszyny molekularne wciąż jeszcze czekają na zastosowania. Można się spodziewać, że będą wykorzystywane w nanorobotyce do budowy maszyn molekularnych i nanomedycynie.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ zan/