A molekuláris gépek kutatását díjazza a kémiai Nobel-díj

Molekuláris lift, mesterséges izmok és parányi motorok: a három tudós a világ legkisebb gépezetei, a molekuláris gépek tervezéséért és előállításáért részesül az elismerésben - fogalmazott indoklásában az illetékes bizottság.

A kutatók kontrollálható mozgású molekulákat fejlesztettek ki, amelyek energia segítségével tudják végrehajtani feladataikat.

A számítástechnika fejlődése jól mutatja, hogy a technológia miniatürizálása forradalomhoz vezethet. A kémiai Nobel-díj idei kitüntetettjei gépeket miniatürizáltak és új dimenzióba vezették a kémia tudományát a svéd tudományos akadémia szerint.

A molekuláris gépek irányába vezető első lépést Jean-Pierre Sauvage tette meg 1983-ban, amikor sikerült lánccá összekapcsolnia két gyűrűs molekulát. Ez a katenán. Rendes körülmények között a molekulák erős kovalens kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. Kovalens kötést két vagy több atom között megosztott elektronpárok hoznak létre, hogy mindegyik atom stabil elektronszerkezettel rendelkezhessen. A láncban azonban ehelyett egy szabadabb mechanikus kötés kapcsolta őket össze. Egy gépnek, ahhoz, hogy képes legyen feladatot végrehajtani, olyan részekből kell állnia, amelyek képesek egymáshoz viszonyított relatív mozgásra. A két, egymásba illesztett gyűrű pont ennek a követelménynek felelt meg.

A második lépést Fraser Stoddart tette meg 1991-ben a rotaxán kifejlesztésével. A szerkezetben egy gyűrű alakú molekula szabadon mozoghat egy tengelyen, amelyet a két végén a gyűrű átmérőjénél nagyobb elem zár le. A rotaxánon alapuló fejlesztései között van a molekuláris lift, a molekuláris izom és a molekuláris alapú komputerchip.

Bernard Feringa volt az első, aki molekuláris motort alkotott. 1999-re olyan molekuláris propellert hozott létre, amely folyamatosan egy irányba forgott. Azóta nanoautót is épített már. Molekuláris motorral pedig képes volt egy, a motor súlyánál 10 ezerszer nehezebb üveghengert forgatni.

Az idei kémiai Nobel-díjasok kiragadták egyensúlyi helyzetükből és energiával töltött állapotba jutatták a molekuláris rendszereket, és képessé váltak mozgásuk irányítására. A molekuláris motor fejlődése jelenleg olyan fokon áll, mint a villanymotoré az 1830-as években, amikor az azon dolgozó tudósok még csak nem is sejtették, hogy eredményeik olyan fejlesztésekhez vezetnek el, mint a villanyvonat, a mosógép, a ventilátor vagy a konyhai robotgépek - mutatott rá a bizottság, amely szerint a molekuláris gépeket nagy valószínűséggel használják majd új anyagok, szenzorok és energiatároló rendszerek kifejlesztéséhez a jövőben.

A 71 éves Jean-Pierre Sauvage a Strasbourgi, a 74 éves Fraser Stoddart a Northwestern, a 65 éves Bernard Feringa pedig a Groningeni Egyetem munkatársa.

A kitüntetettek 8 millió svéd koronával (256 millió forintos összeggel) gazdagodnak, a díjátadó ünnepséget hagyományosan december 10-én, az elismerést alapító Alfred Nobel halálának évfordulóján rendezik.

Szakértő: Ma már rutin a szerves vegyületek szintetizálása 

Ma már olyan szinten lehet szerves vegyületeket tervezni, szintetizálni és a nanovilágban összerakni, mozgatni, mint ahogy fémeket, ötvözeteket lehet mintázni és megmunkálni - mondta az MTI-nek szerdán Perczel András kémikus, az MTA tagja, az ELTE Természettudományi Kara Szerves Kémiai tanszékének vezetője. Hozzátette: ahogy a fémekből a hétköznapi életben összeszerelés után hasznos tárgyak válnak, úgy lehet majd a mikrokozmoszban is hasznos eszközöket készíteni, mozgásra bírni, ezen miniatűrök mérete azonban hétköznapi világunk méreteinél ezermilliószor kisebb.

A szakember felidézte, hogy a mostani Nobel-díj előzménye 1987-re nyúlik vissza, amikor Jean-Marie Lehn francia kémikus - Jean-Pierre Sauvage mentora - kapta megosztva az elismerést. Mint hozzátette, tulajdonképpen onnantól ered a koronaéter típusú vegyületek létrehozásának a gondolata. A koronaéter egy gyűrű alakú, nagyjából egy nanométer átmérőjű makrociklus, amelyet szerves kémiával foglalkozó kutatók terveznek és hoznak létre. Nem csak külföldön, de idehaza is Huszthy Péter akadémikus csoportjában a Budapesti Műszaki Egyetemen - tette hozzá.

Perczel András szerint a csaknem harminc évvel ezelőtti Nobel-díjat azért kapták a szakemberek, mert a megfelelő gyűrűméretekkel különböző ionokat tudtak kihalászni, szelektíven megfogni. "Mostanra a gyűrűk kicsit átalakultak, esetenként megnőttek és már nem csupán egy Na+ vagy K+ iont tudnak befogni, hanem egy egész szerves molekulát lehet átfűzni rajtuk. Ezáltal olyan szupramolekuláris komplexek alakulhatnak ki, amelyet úgyis felfoghatunk, mint egy tengelyt és az azt körülölelő gyűrűt, ilyen a rotaxán" - fejtette ki a kémikus.

A 2011-ben Bolyai-díjjal kitüntetett magyar szakember szerint az érintett vegyületek különböző kémiai gradiensekre (ionerő avagy az oldat PH-jának változása) vagy hőhatásra kezdenek mechanikai mozgásba.

A holland Bernard L. Feringa az 1990-es évek végén olyan molekuláris rendszert fejlesztett ki, amely hő vagy UV-sugárzás hatására ciklikus forgó mozgásba kezd, hasonlóan a négyütemű motorhoz. A tengely, a kerék és a forgás lehetőségének meglétével tehát minden adott a molekuláris szintű gépezetek létrehozásához - foglalta össze a magyar kémikus egy autóipari példával élve. Mindez nem fikció ma már, hiszen a "nanocar" megszintetizált, elkészített valóság, a világhálón megtalálható képe a laikus számára is egy autó alvázát idézi. A gömbszerű négy kereket fullerén molekulák alkotják, mely molekulatípus felfedzéséért Krot, Curl és Smalley 1996-ban kapta a Nobel-díjat - fűzte hozzá a magyar kémikus.

A molekuláris gépek jövőbeli alkalmazási lehetőségeiről szólva Perczel András elmondta, még nem tudni pontosan, hogy a mikrokozmoszt az emberiség miként és mikor fogja benépesíteni ilyen és hasonló eszközökkel, de ha belegondolunk, hogy nanolitográfiával ma 14 nanométer széles "sávokat" használunk egyes számítógépek processzoraiban, akkor azon a 10 nanométer nagyságrendű nanoautók már el is férhetnek. Felmerült továbbá a nanokapillárisok tisztításának a gondolata is ilyen kémiai szintézis során előállított eszközökkel. A villanymotor sikertörténetét felidézve a szakember hozzátette, hogy idővel valószínűleg se szeri, se száma nem lesz a nanogépek alkalmazási lehetőségeinek.

A kutatási terület jövőjével kapcsolatban kiemelte, hogy érdekes kihívás lesz például az egyelőre klasszikus szerves vegyületekből felépülő "nano-masinákat" biokompatibilis építőelemekből - például cukrokból és aminosavakból - fel- vagy átépíteni. Így ezek, amikor feladatukat bevégezték, természetes módon lebonthatóvá válnak, tehát nemcsak tervezni és létrehozni, de környezetbarát módon eltakarítani is lehet majd a feleslegessé váló eszközeinket - tette hozzá Perczel András.