iPon Cikkek

A világ legkisebb gépei

Dátum | 2016. 10. 09.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

„Most pedig beszéljünk arról, hogyan lehetne nagyon apró, mozgóalkatrészes gépezeteket létrehozni” – fordult a közönséghez 1984-es híres előadása során Richard Feynman. A Nobel-díjas fizikus meg volt győződve arról, hogy egy napon lehetséges lesz nanométeres nagyságrendű gépeket gyártani. Feynman a természetben igazoltan létező aprócska gépekkel igyekezett alátámasztani álláspontját, a baktériumokat forogva hajtó ostor működését hozva fel példaként. A szakértő fő kérdése tehát nem az volt, hogy lehet-e ilyen apró gépeket csinálni, hanem hogy hogyan fog tudni az ember hatalmas kezeivel ilyeneket kreálni. Az egyik általa felvetett lehetőség a sajátunknál kisebb mechanikus kezek megépítése volt, amelyek aztán maguknál szintén kisebb kezeket állítanak elő, és így tovább, mire elérjük a nanoszinten is működni képes kezeket. Feynman rögtön azt is hozzátette, hogy erre már történt is kísérlet, egyelőre kevés sikerrel. Egy másik, Feynman szerint biztatóbb stratégia a piciny gépek elemeikből való, alulról történő felépítése volt. A kutató ezt úgy képzelte, hogy különböző anyagokat, például szilíciumot permetezünk egy felületre, atomi rétegenként alakítva ki a gépet. Menet közben egyes részeket fel kell oldani és eltávolítani, így alakítva ki és téve mozgathatóvá az alkatrészeket. A rendszer tagjait aztán elektromos energiával irányíthatnánk.
Feynman előadásának célja bevallottan a közönség soraiban ülő szakértők inspirálása volt. Amikor a mezítlábas tudós mondandója végére ért, és nekiállt összeszedni jegyzeteit, még egyszer felpillantott a hallgatóságra, és huncut mosollyal jó szórakozást kívánt a jelenlevőknek az apró gépezetekkel való játékhoz, majd hozzátette: „25–30 évet adok, és addigra valami gyakorlati hasznuk is lehet ezeknek. Hogy ez mi lesz, azt azonban még én sem tudom.” Sem Feynman, sem a közönség tagjai nem tudták, hogy eddigre már megtörtént az első fontos lépés a molekuláris gépezetek létrehozása felé, ráadásul egészen más módon, mint ahogy azt a fizikus elképzelte. A 20. század közepén az egyre összetettebb molekulák szintetizálásával foglalkozó vegyészek olyan molekuláris láncokat próbáltak létrehozni, amelyekben gyűrűs molekulák vannak összefűzve. A kísérletek célja egyben egy újfajta kötés létrehozása is volt, amelyben az atomok nincsenek közvetlen interakciókban egymással, mint a kovalens kötésekben, hanem pusztán mechanikus kapcsolatban állnak, hasonlóan az egymásba kapcsolódó láncszemekhez. Az 1950–60-as években több kutatócsoport is arról számolt be, hogy kisebb mennyiségben sikerült előállítaniuk az áhított molekuláris láncokat, de ehhez rendkívül bonyolult módszerekre volt szükségük. Az eredményeket így inkább csak szakmai kíváncsiság övezte, és a következő évek során egyre többen adták fel a reményt, hogy valaha is kifizetődő metódust találnak a láncok létrehozására. 1983-ban aztán teljesen váratlanul megtörtént az áttörés: egy francia kutatócsoport hétköznapi rézionokat használva irányítása alá vonta a molekulákat. A csoportot Jean-Pierre Sauvage vezette.
Ahogy a tudományban oly sokszor megesik, a felfedezéshez vezető inspiráció egy teljesen másik tudományterületről érkezett. Sauvage fotokémiával foglalkozott, vagyis olyan molekulakomplexeket próbált létrehozni, amelyek képesek kémiai energiává alakítani a napfény energiáját. Amikor a szakértő felvázolta az egyik ilyen komplex modelljét, feltűnt neki hogy az mennyire hasonlít egy molekuláris láncra: a kérdéses együttesben egy réziont ölelt körül két molekula. Ez a felismerés drámaian megváltoztatta Sauvage kutatásának irányát. A fotokémiai komplexet modellként használva a szakértő kollégáival létrehozott egy gyűrűs és egy félkör alakú molekulát, amelyek vonzódtak a rézionokhoz. Az ionok kapcsolóelemként kötötték össze a molekulákat, a félkört úgy rögzítve, hogy az átfutott a gyűrű belsején. A következő lépésben a csapat kémiai reakciók révén kívülről egy másik félkör alakú molekulát kapcsolt az elsőhöz, gyűrűvé egészítve ki azt, két egymásba kapcsolódó gyűrűt kreálva ezzel. Amikor ez megvolt a réziont eltávolították a komplexből.
A korábbi hasonló kísérletek során ennél jóval bonyolultabb módszerekkel csak a nyersanyagként használt gyűrűk legfeljebb néhány százalékát sikerült egymásba fűzni. A rézionos megoldással 42 százalékra ugrott ez az arány. A molekuláris láncok tehát ritka érdekességből egy csapásra könnyen előállítható komplexekké váltak. Sauvage megoldását felhasználva a szakértők egyre bonyolultabb molekuláris struktúrákat, láncokat, csomókat kezdtek létrehozni. Sauvage és J. Fraser Stoddart olyan kulturális szimbólumokat alkotott meg miniatűr méretekben, mint például a lóhere csomó, a Salamon csomó vagy a Borromeo-kereszt. Az is hamar kiderült, hogy a molekuláris csomók nem csak esztétikailag érdekesek. Sauvage rövidesen rájött, hogy ezek az újfajta molekulák a molekuláris gépezetek létrehozásának első lépését is jelképezik. A nanoméretű gépek megalkotásának első feltétele ugyanis az volt, hogy egymáshoz képest elmozdulni képes, de egymással összekapcsolt aprócska alkatrészeket lehessen létrehozni. Az egymásba fonódó gyűrűk pedig pontosan ilyenek voltak. A katenánoknak nevezett láncokból 1994-re egy olyan verziót is sikerült létrehozni, amelyben az egyik gyűrű irányítottan forgatható volt, ha energiát adtak a rendszerhez.
A molekuláris gépezetek második fontos lépését egy skót vegyésznek köszönhetjük. Stoddart-ot, aki ideje nagy részét már gyermekként is puzzle-ok kirakásával töltötte el, nagyon foglalkoztatta, hogy az egymásba kapcsolódó formák révén hogyan lehet összetettebb szerkezeteket létrehozni. A kémia is azért kezdte érdekelni, mert úgy gondolta, hogy egy napon molekuláris művésszé válhat, aki új, korábban nem létező formákat hoz létre az atomokból.
Stoddart felnőve valóban vegyész lett, és 1991-ben kollégáival létrehozott egy olyan szerkezetet, amelyről rögtön látszott, hogy nemcsak szép, de hasznosítható is lehet. A struktúra egy nyitott, elektronmentes gyűrűből és egy hosszú rúdból állt. Ez utóbbi tengelyként szolgált és két helyen elektronokban gazdag volt. Amikor a két molekula egy oldatban összetalálkozott, a gyűrű vonzódva a tengelyen található elektronokhoz rácsusszant arra, és megállapodott az egyik elektrongazdag helyen. A következő lépésben a szakértők bezárták a gyűrűt, teljessé téve a rotaxán nevű elrendezést. Ez a struktúra azért nagyon érdekes, mert a tengely mentén a gyűrű mozgatható. Ha a gyűrűvel hőt közlünk, az átugrik a másik elektrongazdag helyre, vagyis a két pozíció között ugrál. 1994-ben Stoddart már tökéletesen irányítása alatt tudta tartani ezt a mozgást, felülemelkedve a molekulák viselkedését alapvetően jellemző véletlenszerűségen. Az azóta eltelt két évtizedben a szakértő és kollégái változatos formájú rotaxánokat tartalmazó molekuláris gépezeteket hoztak létre. 2004-ben például egy olyan apró lifttel álltak elő, amely 0,7 nanométert tud emelkedni, ha erre utasítják, 2005-ben pedig egy mesterséges izmot mutattak be, amely rotaxánok révén hajlít meg egy vékony aranylapot. Emellett egy rotaxán alapú tranzisztort is létrehoztak, előrevetítve a molekuláris chipek időszakát. Sauvage idővel szintén beszállt a rotaxánok fejlesztésébe, és 2000-ben kutatócsoportjával már egy apró, motorszerű szerkezetet mutatott be, amelyben a gyűrű felváltva forog egyik vagy másik irányba. A következő fontos lépés annak megvalósítása volt, hogy egy ilyen rendszer valóban a motorokhoz hasonlóan működjön, vagyis gyűrűje mindig egy irányba forduljon el, ha energiát közölnek vele. Ez elsőként az idei harmadik díjazottnak, a holland Bernard L. Feringának sikerült. Feringát szintén gyermekkorától érdekelte a kémia, mert lehetőségek tárházát látta abban. Ő is úgy képzelte, hogy felnőve majd olyan molekulákkal és anyagokkal állhat elő, amelyek korábban sosem léteztek. Ezt meg is valósította, amikor 1999-ben létrehozta az első molekuláris motort. Alapesetben a molekulák mozgása véletlenszerű, így egy forgó gyűrű azonos eséllyel mozdul el bármelyik irányba. Feringa viszont egy olyan rendszert hozott létre, amely egy kitüntetett irányba forgott.
Az általa megalkotott struktúra két apró rotorral rendelkezett: benne két lapos szerkezetet egy kettős kötés kapcsolt össze. Mindkét rotorhoz egy metilcsoport kapcsolódott, ezek biztosították, hogy a rotorok csak egy irányba forogjanak. Amikor a molekulát ultraibolya fény érte, az egyik rotor 180 fokot fordult a kettős kötés körül, majd a következő fényingerre ismét fordult egy félkört. Az első motor még meglehetősen lassú volt, de 2014-re olyannyira sikerült optimalizálni a szerkezetet, hogy az 12 millió kört tett meg másodpercenként. 2011-ben a kutatócsoport egy négykerekű nanoautóval is előállt, amelynek kerekeit négy apró motor mozgatta. Egy másik érdekfeszítő kísérlet során Feringa és kollégái molekuláris motorokkal pörgettek meg egy 28 mikrométeres üveghengert, amely 10 ezerszer akkora volt, mint a motorok. Ennek során a motorokat folyadékkristályba helyezték, és bár csak a kristály egy százalékát tették ki a molekuláris gépek, amikor a kutatók mozgásra bírták ezeket, megváltoztatták az anyag szerkezetét. A folyadékra helyezett üveghenger pedig forogni kezdett. Sauvage, Stoddart és Feringa munkásságának köszönhetően mára molekuláris alkatrészek tárháza áll a szakértők rendelkezésére a különféle apró gépek felépítéséhez. Az egyik leglenyűgözőbb példája ezen szerkentyűknek egy 2013-ban elkészült molekuláris robot, amely aminosavakat fog meg és kapcsol össze. Más kutatók polimerekhez kapcsoltak motorokat, amelyek ezek által hajtva összetett hálózatokba állnak össze. A gépek ilyen fokú miniatürizálása ugyanakkor még gyerekcipőben jár. A molekuláris motorok jelenleg nagyjából azon a szinten állnak, mint az elektromos motor 1830 körül, amikor a kutatók lelkesen építgették laborjaikban a különböző forgó, pörgő szerkezeteket, de még senki sem tudta, hogy ezekből egy napon mosógépek, ventilátorok és háztartási kisgépek lesznek. 32 évvel Feynman látnoki erejű előadása után tehát még mindig csak találgatjuk, hogy ezek az apró, izgalmas szerkentyűk mire lesznek jók, de afelől továbbra sincs kétség, hogy egy napon átkerülnek mindennapjainkba.
Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!