Nobel z chemii. W jedności siła

Pojedyncze maszyny molekularne niewiele mogą zrobić, co innego jeśli pokryjemy nimi większą powierzchnię, sprawimy, że będą działały wspólnie, ich siła może tkwić w jedności - mówi RMF FM prof. Robert Hołyst z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk. Naukowcy z IChF PAN jako jedni z pierwszych badali wydajność molekularnych maszyn i przekonali się, że jest znacznie mniejsza od oczekiwanej. Tegoroczna nagroda Nobla w dziedzinie chemii przypadła naukowcom, którzy stworzyli podstawy budowy takich maszyn, Francuzowi Jean-Pierre Sauvage'owi, Brytyjczykowi Fraserowi Stoddartowi i Holendrowi Bernardowi Ferindze.

Tak naprawdę za co tegoroczni laureaci otrzymali nagrodę Nobla w dziedzinie chemii?

Robert Hołyst: Za stworzenie cząsteczek chemicznych z "mechanicznymi" częściami, dużych cząsteczek, które mogą zmieniać swoje konformacje, ustawienie w przestrzeni, kształt, rozmiary, a przez to wykonywać użyteczną pracę. Nie chodzi przy tym tylko o pracę mechaniczną, nobliści pracowali nad elementami molekularnej elektroniki, by na bazie zwykłych cząsteczek chemicznych otrzymać tranzystor, rezystor, opornik itd.

Na ile prace nad syntezą takich cząstek były przełomowe, pchnęły chemię do przodu?

Większość syntez chemicznych opiera się na prostych elementach budulcowych. W przypadku tego, czym zajmował się jeden z noblistów, chodziło o tworzenie dużych cząsteczek, które mogłyby się zaplatać, takich ogniw łańcucha. Ponieważ one pozostały ruchome, można na przykład poświecić na jeden z nich światłem i sprawić, że będzie się kręcił. Wtedy może wykonywać pracę mechaniczną, staje się taką małą maszynką. W tym momencie chemia, która najczęściej kojarzy nam się z lekami, czy proszkami do prania staje się w skali nano, miliard razy mniejszej, niż metr, faktyczną maszyną. Wykonuje pracę w malutkiej skali. Oczywiście taka pojedyncza cząsteczka niewiele może zrobić. O ile my, jak płacimy rachunek za prąd, jesteśmy przyzwyczajeni do kilowatów mocy, a taka cząsteczka ma moc 10 do -18 W albo mniejszą. To jest niewyobrażalnie mało. Jeśli jednak pokryjemy tymi cząsteczkami pewną powierzchnię, sprawimy, że będą działały wspólnie, potrafią na przykład taką powierzchnię ugiąć. Można stworzyć mini zastawki molekularne, które blokują jakiś kanał i nie przepuszczają czegoś, a pod wpływem pola elektrycznego, zmiany liczby junów w roztworze, potrafią się otworzyć i coś przepuścić. I wszystko to dzieje się w takiej, bardzo małej skali. Wyzwaniem byłą sama synteza, bo w jakiś sposób trzeba było te cząsteczki do tworzenia dziwacznych struktur zmusić. Po drugie, trzeba było wymyślić im funkcje, jaki ruch mają wykonywać pod wpływem jakiego czynnika, czyli skąd mają czerpać energię. Czy ma być to światło, ciśnienie, czy na przykład parująca woda. Kolejna sprawa, to trzeba jeszcze udowodnić, że to faktycznie zrobili. Bo jeśli czegoś nie widać gołym okiem, coś jest tak małe, że nie da się zobaczyć nawet pod bardzo silnym mikroskopem, to trzeba używać mikroskopu elektronowego. Cząsteczki organiczne jednak bardzo łatwo ulegają spaleniu przez elektrony, zanim się je zobaczy to już się je zniszczy.

Jak udało się je pokazać?

Z jednej strony można było użyć różnych sztuczek chemicznych, by udowodnić, że mają taką, a nie inną strukturę. Z drugiej strony można było wykorzystać metodę Magnetycznego Rezonansu Jądrowego, która mówi nam jakie grupy chemiczne są wokół badanego przez nas atomu. Na tej podstawie, badając atom po atomie można odtworzyć strukturę cząsteczki. Jeśli takie układy dają się skrystalizować, można potem zrobić im zdjęcie rentgenowskie i zobaczyć, jak ta struktura wygląda. Oczywiście jedną rzeczą jest pokazać strukturę, inną udowodnić, że one rzeczywiście taką pracę mechaniczną wykonują i to tak, jak sobie wyobrażamy.

I jak to udało się udowodnić?

Do każdego przypadku potrzebny jest oddzielny eksperyment. Nie jest to sztampowe. Dam przykład z naszego podwórka, z Instytutu Chemii Fizycznej PAN. My chcieliśmy zrobić wiatrak, którego kręcący się obiekt miał rozmiary 3 nanometrów. Wiatrak miał być napędzany parującą wodą. Woda paruje, te cząsteczki pokrywają powierzchnię wody i zaczynają się kręcić. No dobrze, tylko jak je zobaczyć? W naszym przypadku użyliśmy metody kąta Brewstera. Jeśli pada na powierzchnię światło pod określonym kątem, można ten kąt tak dobrać, że nic od powierzchni wody się nie odbije. Jeśli postawimy detektor, który będzie badał światło odbite, to zobaczymy ciemność. Jeśli położymy na powierzchnię cząsteczki, które mają nawet tylko 3 nanometry i one zaczną się obracać to w zależności od kąta, jaki tworzą względem padającego światła, będziemy widzieć na przemian czarne, białe, czarne itd. - na tej podstawie można określić, jak szybko się obracają. To jeden z przypadków, ale uważam, że udowodnienie pracy każdej molekularnej maszynki wymaga właściwie oddzielnego eksperymentu. Drugi przykład, biologiczny jest następujący: w naszych komórkach pracują różne molekularne motorki, jednym z nich jest kinezyna, białko, które ciągnie za sobą gigantyczne cargo, ładunek. To jest małe białko, a owo cargo jest tysiące razy większe od niego, tak jakby człowiek ciągnął cały pociąg. Żeby zobaczyć, że to białko faktycznie wykonuje użyteczną pracę, wystarczy je wybarwić, nadać kolor. Wtedy pod mikroskopem można już zobaczyć świecący punkcik, który się przesuwa. Można też wybarwić cargo innym kolorem i zobaczyć, że za tym białkiem podąża z taką samą prędkością. I to będzie dowód.

Wspomniał pan o małej mocy takich mikromaszyn. Państwo sami to badaliście...

Otóż chcieliśmy zobaczyć jaka moc ma nasza maszynka, która obracała się pod wpływem parującej wody. Chcieliśmy ją porównać z mocą, jaką osiąga taka pompa jonowa ATP-aza, która obracając się w jedną stronę może pompować jony wodoru przez membrany, lub też kiedy przepływają przez nią jony wodoru, to ona zaczyna się obracać i powoduje, że - jak to się mówi - ładuje nasze akumulatory, czyli buduje ATP, czyli podstawową jednostkę energetyczną, która jest używana w komórkach. No i wyszło, że na jednostkę masy ta maszyna molekularna, zbudowana przez matkę naturę siłami ewolucji przez kilka miliardów lat, jest sto tysięcy razy lepsza, niż ten nasz motorek molekularny. Ale jeżeli się sprzęgnie, poprzez samoorganizację, sprzęgnie się ze sobą takich sztucznych motorków dużo, a my potrafiliśmy sprzęgać miliardy, no to i moc w całości wtedy rośnie. Tak, że siła molekularnych motorków będzie w jedności. Jak to się ładnie mówi, w jedności siła. Zresztą do dotyczy chyba i społeczeństw i krajów. Inaczej mówiąc, połączmy siły, a uzyskamy większą moc i nie poddamy się wszechobecnemu szumowi termicznemu, który z natury rzeczy interweniuje w każdy ruch małych molekuł.

Na koniec jeszcze chciałem zapytać o to, no bo zawsze o to pytamy przy okazji każdej kolejnej nagrody Nobla. Jakie praktyczne zastosowanie, i kiedy, w jakim horyzoncie czasowym pan widzi?

Gdyby tak się pytali Michaela Faradaya, który pracował nad elektromagnetyzmem na początku XIX w. jakie on widzi praktyczne zastosowania tych swoich wynalazków...

To by nie widział...

... a potem Maxwella, no to by powiedział "no ja wiem? No poznaje świat". Z takiego poznawania świata dzisiaj mamy komputery, telewizory, komórki, telefony, radio RMF FM. I w związku z tym jest strasznie trudno powiedzieć, co z tego wyjdzie. Mogę powiedzieć, jakie są trudności.

Na co pan ma nadzieję? O, może tak.

Ja podejrzewam, że na pewno powstaną układy, w których takie molekularne maszyny będą podczepione pod powierzchnię, to na pewno. Po drugie będą ze sobą sprzężone, żeby ich ruch można było zobaczyć w makroskali, one muszą zadziałać wspólnie. Dostając określony impuls energii mogą wtedy, na przykład, ugiąć powierzchnię, ale razem. I wtedy będzie to dostrzegalne. Problemem może być to, że takie molekuły chemiczne, na przykład w elektronice, nie są tak stabilne jak, nie wiem, jak krzem, jak taki twardy materiał. Łatwo ulegają rozkładowi, między innymi pod wpływem światła. Więc stabilność takich tworów, które ludzie syntezują jest problemem, który staje na drodze do takich szerokich zastosowań. Drugim problemem jest to, żeby można było robić produkcję masową, bo nawet jeżeli zrobimy fantastyczne urządzenie, ale za to urządzenie trzeba będzie zapłacić, nie wiem, 300 tysięcy dolarów, to to urządzenie nie wejdzie do produkcji, bo masowo ludzie nie będą tego kupować. Zdaje się, że w ogóle największym problemem jest cena. Tu nie chodzi o to, co chcemy zastosować, tylko ile to będzie kosztowało.

A tu niestety ciągle ta cena jest wysoka.

No jest bardzo duża. Być może te molekularne maszyny znajdą zastosowanie w medycynie. Ja bym powiedział tak: jest długa droga od nagrody Nobla do zastosowań. Wydaje mi się, że wymiar nagród Nobla jest troszeczkę inny, to znaczy teoretycznie ma to służyć ludzkości, ale jeszcze nie jest powiedziane w jaki sposób. Bo jedną z takich usług, które nauka pełni wobec ludzi, jest wyjaśnianie świata. Nauka wyjaśnia nam świat i dzięki temu mniej boimy się tego świata. I chyba to jest najważniejsza rola, jaką nauka pełni w społeczeństwie, oprócz tego, że buduje całą cywilizację technologiczną.