Maszyny molekularne: chemia, fizyka i inżynieria przyszłości

W grudniu 1959 r. wybitny fizyk, Richard P. Feynman, został zaproszony do wygłoszenia referatu na posiedzeniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego, odbywającym się na Caltechu w Pasadenie (Kalifornia). Uczony zatytułował swoje wystąpienie „There’s plenty of room at the bottom” („Tam na dole [w głębi] jest wiele miejsca”). Było to zaproszenie do tego, aby stworzyć zupełnie nową gałąź nauki, która będzie się zajmować możliwością manipulacji materią na poziomie pojedynczych atomów czy też cząsteczek. Spytał w nim: „A może udałoby się całą zawartość 24 tomów «Encyclopaedia Britannica» zmieścić na czubku szpilki?”. Jako fizyk, który całą młodość poświęcił na rozmaite eksperymenty, zasugerował kilka metod, które mogłyby pozwolić na realizację tego pomysłu. Pisał o tym jakiś czas temu Wiesław Seweryn. Można uznać, że ten wykład Feynmana zapoczątkował to, co dziś nazywamy ogólnie nanotechnologią.

Wykład Richarda Feynmana o nanomaszynach (1984)

Na pewien czas temat został zapomniany. Zmieniło się to po 20 latach, kiedy to ukazała się książka K. Erica Drexela „Engines of Creation. The Coming Era of Nanotechnology” z przedmową Marvina Minsky’ego. Jest ona w pewnym sensie twórczym rozwinięciem idei Feynmana. Autor pisze w niej o możliwości zapisania całej zawartości Biblioteki Kongresu USA na chipie o wielkości kostki cukru, jak też rzuca pomysł samoreplikujących się nanomaszyn. Rozwija także myśl Feynmana o „nanolekarzach”, czyli miniaturowych urządzeniach wprowadzanych do organizmu człowieka, aby dokonywać napraw miejsc chorych. Ale zauważa też, że możliwe są czarne scenariusze. To właśnie Drexel wymyślił „szarą maź” (ang. grey goo), czyli coś, co pozostaje po biosferze, gdy samoreplikujące się maszyny wymykają się spod kontroli.

Każda maszyna w świecie makro składa się z wielu elementów, które często są wspólne dla różnych maszyn. Przykładowo – koła zębate czy przekładnie są zarówno w maszynie do szycia, jak też w samochodzie czy w tokarce. Wiele maszyn wymaga napędu, czyli obecności jakiegoś silnika. Podobnie będzie w przypadku maszyn molekularnych. I tutaj wchodzą na scenę chemicy organicy. To właśnie oni mają za zadanie zaprojektować i zsyntetyzować podstawowe elementy, z których potem będzie można budować różne konstrukcje. Trzeba coś podobnego stworzyć na bazie kilkudziesięciu czy też kilkuset atomów. Często inspiracją dla konstrukcji jest natura. Znany jest bardzo spektakularny przykład kinezyny, zwanej białkiem kroczącym.

Poruszanie się białka (kinezyny) na “rurce” tubulinowej
źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

Nie jest to łatwe zadanie, ale odnotowano już na tym polu pierwsze sukcesy. Specjalistom od syntezy było o tyle łatwiej, że od jakiegoś czasu istniała już dziedzina zwana topologią chemiczną, choć w połowie XX w. uznawano ją za nieco egzotyczną. Zajmuje się ona matematycznym opisem trójwymiarowej geometrii już istniejących cząsteczek, jak też przewidywaniem kształtu takich, których jeszcze nie otrzymano eksperymentalnie.
Na początku XXI w. struktury stały się bardziej złożone – otrzymano m.in. nanozawór, który może być zastosowany w systemach dostarczania leków bezpośrednio w konkretne miejsce organizmu. Kolejne syntezy dały też cząsteczkę, która działa jak zapadka. Był to pierwszy krok do stworzenia przekładni – bardzo istotnego elementu wielu konstrukcji mechanicznych. Następna była pompa molekularna, a niedługo później stworzono pierwszy syntetyczny silnik molekularny napędzany światłem.

Nanomotor skonstruowany w Cockrell School of Engineering (2014)

Jedni uczeni skupili się na tworzeniu elementów maszyn molekularnych, inni poszli na całość. A wszystko zaczęło się w zasadzie od publikacji w naukowo-satyrycznym dwumiesięczniku „Annals of Improbable Research” („Roczniki badań nieprawdopodobnych”). Co ciekawe, jej autorem jest Polak, Marek T. Michalewicz. W swoim tekście zasugerował on możliwość stworzenia nanoauta, m.in. na bazie znanych już fulerenów. Idee Michalewicza postanowił zrealizować w pierwszej dekadzie XXI w. zespół z Rice University w Teksasie, pracujący pod kierunkiem prof. Jamesa Toura. Zsyntetyzowano związek składający się z nieco ponad 700 atomów, wyposażony w cztery koła (fulereny C60), ramę oraz dwie osie.

Nanoauto zsyntetyzowane w Rice University

źródło: Wikipedia, licencja: domena publiczna

Nie jest to jeszcze takie prawdziwe auto, ponieważ nie posiada silnika. Jednym z celów badawczych zespołu było stwierdzenie, czy koła pojazdu w trakcie ruchu będą się ślizgać po powierzchni, czy też toczyć. Badania wykazały, że toczą się, tak jak w prawdziwym aucie. Obecnie trwają prace nad stworzeniem nanoauta wyposażonego w silnik molekularny napędzany światłem. Osiągnięto już częściowy sukces, przy czym konieczna była zmiana kół fulerenowych na karboranowe (związek boru, węgla i wodoru).
A skoro są auta, to trzeba pomyśleć o wyścigach. Wiosną 2017 roku zostały rozegrane pierwsze na świecie wyścigi nanoaut. Na starcie stanęło sześć zespołów. Zwycięskie auto osiągnęło prędkość maksymalną 95 nm/h!

W 2016 r. nagrodę Nobla otrzymali Jean-Pierre Sauvage (za syntezę katenanów), sir J. Fraser Stoddart (za rotaksany oraz tzw. windę molekularną) oraz Bernard L. Feringa (za stworzenie silnika molekularnego, którego najnowszy model osiągnął 12 tys. obrotów na sekundę). Było to ukoronowanie prac teoretycznych oraz syntetycznych, które trwają nieprzerwanie od lat 80. XX w. Można więc powiedzieć, że stworzyli oni coś w rodzaju molekularnych klocków Lego dla twórców nanomaszyn różnego rodzaju.

Jesteśmy na początku drogi. Wydaje się, że czekają nas jeszcze lata żmudnej pracy, zanim zobaczymy realne, złożone maszyny molekularne w działaniu. Cały czas także trwają prace nad nanofabrykami, czyli systemami, w których budowa kolejnych pokoleń nanomaszyn będzie się odbywać automatycznie na poziomie molekularnym. To oczywiście nie jest też wynalazek człowieka. W każdej naszej komórce działają takie fabryki, np. syntetyzujące białka na podstawie informacji zawartych w DNA. Podobnie ma się rzecz z maszynami molekularnymi – białka motoryczne, takie jak wspomniane wyżej niesamowite kroczące kinezyny czy też będące składnikami mięśni miozyny. Ewolucja biologiczna wytworzyła wiele mechanizmów, którym przyglądamy się coraz dokładniej, czerpiąc inspirację do naukowej chemiczno-fizycznej twórczości. Najważniejsze jest jednak to, że pokazano, iż idee Feynmana, które kilkadziesiąt lat temu uznawano za fantazję, można jednak przełożyć na konkrety.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *