16 декември 2018
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Как молекулите станаха машини и спечелиха Нобелова награда

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 05 октомври 2016 в 13:1770100
Снимка: fenceref.com

Нобеловата награда за химия 2016 се присъди на Жан-Пиер Суваж (Jean-Pierre Sauvage), сър Дж Фрейзър Стодарт (Sir J. Fraser Stoddart) и Бернард Феринга (Bernard L. Feringa) за разработката на молекулярни машини, които са хиляди пъти по-тънки от човешки косъм. 

Те успяват да свържат молекулите заедно така, че да заработят като малък асансьор, двигател и миниатюрни мускули.

Такива същества вече има в природата - например бактерии, които се придвижват с камшичета, въртящи се като тирбушон, подобни на малки биодвигатели. Но могат ли хората - с техните гигантски ръце - да изградят толкова малки машини, видими само с електронен микроскоп?

Механично взаимосвързани молекули

Обикновено молекулите запазват целостта си, благодарение на силни ковалентни връзки, в които атомите споделят електрони.

От средата на 20-ти век химиците се опитват да произвеждат молекулни вериги, в които молекулите се свързват механично,  без атомите да си взаимодействат директно помежду си. (фигура 1).

Човекът, който успя не само ще създаде невероятна нова молекула, но също така и нов тип връзка, е Жан-Пиер Суваж. През 1983 г. с помощта на обикновени медни йони, френска изследователска група, водена от Суваж, поема контрола на молекулите.

Жан-Пиер Суваж сглобява молекули около меден йон

Както често се случва в областта на изследванията, вдъхновението идва от съвсем различна област. Жан-Пиер Суваж се занимава с фотохимия, в която химици разработват молекулни комплекси, които могат да улавят енергията, съдържаща се в слънчевите лъчи и да ги използват за управление на химични реакции. Когато Жан-Пиер Суваж изгражда модел на един от тези фотохимично активни комплекси, изведнъж забелязва тяхното сходство с молекулна верига: две молекули са преплетени около един централен меден йон.

Това прозрение доведе до драматичен обрат в посоката на изследванията на Жан-Пиер Суваж. Използвайки фотохимичния комплекс като модел, изследователската група конструира една пръстеновидна и една с форма на полумесец молекули, така че те да са свързани от медни йони (фигура 1). Медният йон играе ролята на свързваща сила, която държи молекулите заедно. Във втория етап групата използва химическа връзка, за да присъедини молекулата с формата на полукръг с трета молекула, така че се образува нов пръстен, като по този начин се създава нова брънка във веригата. Учените изваждат медния йон, след като си е изпълнил задачата.

С помощта на този революционен метод, Суваж обновява областта на топологичната химия, в която изследователите - често с помощта на метални йони - сглобяват молекулите във все по-сложни структури от дълги вериги и сложни възли. Жан-Пиер Суваж и Дж. Фрейзър са лидери в тази област и техните изследователски групи са създали молекулярни версии на някои културни символи (Фигура 2).

Първата стъпка към молекулния мотор

Жан-Пиер Суваж скоро разбира, че молекулните вериги (наречени катенани от латинската дума за верига, Catena) са не само нов клас молекули, но и че те са първата стъпка към създаването на молекулна машина. За да може да се сглоби машина, тя трябва да се състои от няколко части, които могат да се движат една спрямо друга. Два фиксирани пръстена изпълняват това изискване.

През 1994 г. изследователската група на Жан-Пиер Суваж получава катенани, при които едното колело се завърта около другото колело по контролиран начин, когато му се добави енергия.

Това е първата молекулна небиологична машина.

Втората стъпка към молекулната машина е направена от химик, който е израснал във ферма без електричество или каквито и да са съвременни удобства в Шотландия.

Фрейзър Стодарт нанизва молекулен пръстен на молекулярна ос

Когато Фрейзър Стодарт разработва едно от молекулярните си творения, които са в основата на Нобеловата му награда за химия за 2016, използва потенциала на химията за конструиране на молекули, които са закрепени една към друга. През 1991 г. неговата изследователска група изгражда оголен пръстен, в който липсват електрони и дълга ос или мост, която има богати на електрони структури на две места (Фигура 3).

Когато двете молекули се срещнат в разтвор, тази, която няма електрони се привлича от богатата на електрони и пръстенът се нанизва върху оста. В следващата стъпка, изследователската група затваря отвора на пръстена, така че остава на молекулната ос. По този начин той създава ротаксан (rotaxane): молекула с форма на пръстен, която механично е нанизана на ос.

След това Фрейзър Стодарт използва свободата на пръстена да се движи по оста - когато добавя топлина, пръстенът отскача напред - назад - като една малка совалка - между две богати на електрони части на оста (фигура 3). През 1994 г. той вече може напълно да контролира това движение.

Фигура 3

Асансьор, мускули и миниатюрен компютърен чип

От 1994 г. изследователската група на Стодарт използва различни ротаксани, за да изгради множество молекулярни машини, включително асансьор (2004, фигура 4), който може да се издгне на 0,7 нанометра над повърхността и изкуствен мускул (2005), където ротаксаните огъват много тънка златна пластина.

Фигура 4. Асансьорът на Стодарт

В партньорство с други изследователи Фрейзър Стодарт разработва също и базиран на ротаксани компютърен чип с памет 20 КБ. Транзисторите на днешните компютърни чипове са малки, но са гигантски в сравнение с молекулните транзистори. Изследователите смятат, че молекулярните компютърни чипове може да направят революция в компютърните технологии също както силициевите транзистори.

Фигура 5. Жан-Пиер Суваж нанизва две молекули с пръстени така, че да образуват еластична структура, която напомня на човешкия мускул.

Жан-Пиер Суваж също изследва потенциала на ротаксаните. През 2000 г. неговата изследователска група успява да наниже две молекули с пръстени така, че да образуват еластична структура, която напомня на спиралите в човешкия мускул (фигура 5). Те също построили нещо, което може да се оприличи на мотор, в който пръстен на ротаксан се върти последователно в различни посоки.

Производството на мотори, които непрекъснато се въртят в една и съща посока е важна цел за областта на молекулярното инженерство. Много различни опити са правени през 90-те, но за пръв път успява холандецът Бернард (Бен) Феринга.

Бен Феринга изгражда първите молекулярни мотори

През 1999 г. Бен Феринга създава първия молекулен мотор, използвайки редица умни трикове, за да го накара да се върти в една и съща посока. Обикновено движенията на молекулите са случайни, но Бен Феринга проектира молекула, която така е направена, че да се върти в определена посока (фигура 6).

Фигура 6. Бен Феринга създава първия молекулен мотор, който се върти в определена посока.
Неговата изследователска група оптимизира мотора така, че сега се върти с 12 милиона оборота в секунда.

Молекулата се състои от нещо, което може да се оприличи на две малки роторни перки, две плоски химически структури, които са съединени с двойна връзка между два въглеродни атома. Една метилова група е прикрепена към всяка роторна перка. Тези, както и части от роторната перка, работещи като тресчотки, принуждават молекулата да се върти в една и съща посока. Когато на молекулата се въздества с импулс ултравиолетова светлина, едната от роторните перки отскача на 180 градуса около централната двойна връзка. Тогава зъбчатката се премества в позиция. Със следващия светлинен импулс, роторната перка отскача още 180 градуса. И така продължава да се върти в една и съща посока.

Първият мотор не е много бърз, но изследователската група на Феринга го оптимизира. През 2014 моторът върти със скорост от 12 милиона оборота в секунда. През 2011 г. изследователската група изгражда наноавтомобил на четири колела. Молекулното шаси се състои от четири двигателя, които функционират като колела.

Когато колелата се завъртат, колата се придвижва напред по повърхността (фигура 7).

Фигура 7. Задвижваната на четирите колела нанокола на Бен Феринга.

Молекулният инструментариум, чийто първи стъпки са направени от Жан-Пиер Суваж, сър Фрейзър Стодарт и Бернард Феринга с разработваните от тях молекулярни машини, сега се използва от изследователи по целия свят, за да се изградят все по-модерни творения.

Един от най-ярките примери е молекулярен робот, който може да свързва аминокиселини. Това е построен през 2013 г. от ротаксани.

Други изследователи свързват молекулните мотори в дълги полимери, така че да образуват сложна мрежа.

Когато молекулярните двигатели се излагат на светлина, светлинната енергия се съхранява в молекулите и ако учените намерят техника за извличане на тази енергия, може да се разработи нов вид батерия.

Такава система от молекулни мотори може да се използва за разработване на сензори, които реагират на светлина.

В момента молекулният мотор е горе-долу на същия етап като електромоторът през 1830, когато изследователите гордо показва различни въртящи се колена и колела в своите лаборатории, без да имат някаква идея, че те ще доведат до такова масово приложение - от електрически влакове до вентилатори.

Можем само да гадаем какви вълнуващи събития ни очакват.


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.