Přemisťování jednotlivých molekul

Pokud byste chtěli přemisťovat jednotlivé molekuly z místa na místo, s pinzetou neuspějete, i kdyby třeba šlo o velmi velké molekuly. Museli byste investovat poněkud více a zakoupit řádkovací tunelovací mikroskop (STM – Scanning Tunnelling Microscope), jehož hrot by vám posloužil jako pinzeta. Tak alespoň postupovali výzkumníci z IBM laboratoří v Curychu, kteří to dokázali jako první (Science 271, 181, 1996).

Podobné manipulace s jednotlivými atomy uskutečnili již r. 1990 v jiném centru IBM, kde bylo poskládáno pomocí tunelovacího mikroskopu 35 xenonových atomů na niklovou podložku do tvaru písmen IBM (Nature 344, 524, 1990) – mikroskopický snímek tohoto dílka pak obletěl svět jako další důkaz o tom, jak člověk dovede ovládnout přírodu. Experiment to byl velmi náročný, pracovalo se v ultravysokém vakuu a při velmi nízkých teplotách. Xenonové atomy byly „uchopeny“ wolframovým hrotem mikroskopu díky přitažlivé síle, která mezi hrotem a atomem vznikla při jejich přiblížení na vzdálenost desítek nanometrů a při nastavení vhodného elektrického napětí mezi hrotem a podložkou. Tento postup je ovšem pro většinu molekul nepoužitelný, neboť poměrně silné elektrické pole by rozbilo vazby v molekule. (Výjimkou jsou molekuly oxidu uhelnatého CO, které se podařilo takto přemisťovat při velmi nízkých teplotách.)

Manipulace s molekulami, na rozdíl od manipulace s atomy, využívá odpudivé síly mezi hrotem a molekulou. Molekula je při pohybu hrotu „tlačena“ po podložce postupně až na žádané místo. Zásadní pro úspěch experimentu je volba vhodné molekuly. Vybrána byla molekula Cu-TBP-porfyrinu, složená ze 173 atomů a mající podobu malého (pevného) disku po obvodě se čtyřmi uhlovodíkovými skupinami – průměr celé molekuly je asi 1,5 nm (La Recherche, březen 1996, str. 13). Velmi důležité jsou právě ty čtyři uhlovodíkové skupiny po obvodě, které mají podobu kuliček vyčnívajících mimo rovinu porfyrinového disku, takže na nich může molekula stát jako na nožičkách. Jejich interakce s měděnou podložkou je dostatečně silná, aby zabránila teplem vyvolané difuzi po podložce, ale ne příliš silná, aby zabránila přemisťování molekuly pomocí hrotu. Molekula je také dostatečně pevná, aby se při přesunu nerozpadla.

Výsledkem curyšského experimentu byl hezky pravidelný kruh (či vlastně šestiúhelník) z šesti molekul Cu-TBP-porfyrinu, ale konečným cílem je zvládnout skládání komplexních molekulárních struktur navržených předchozími výpočty pro dosažení jistých specifických vlastností. Takové umělé molekuly by byly následně všestranně zkoumány, což by rozšířilo naše poznatky např. v molekulární biologii (Sciences et Avenir, březen 1996, str. 82–83). Odkrývá se i výhled na možné posunutí miniaturizace některých součástek a přístrojů až k mezní hranici jednotlivých atomů a molekul. Zatím však ještě stojíme na počátku cesty.

Možná, že v nedaleké budoucnosti se lidé skutečně naučí vytvářet umělé materiály atom po atomu a molekulu po molekule a nastane doba nanotechnologická. (Nanotechnologie, o které dnes už přemýšlejí nejen spisovatelé sci-fi, ale i někteří vědci, se definuje jako výroba materiálů a struktur do velikosti 100 nanometrů – 1 nm = 10^–9 m.) Nejznámějším nanotechnologickým vizionářem je K. Eric Drexler z USA, který založil Foresight Institute (Prognostický ústav) v kalifornském Palo Alto (Scientific American, duben 1996, str. 78–83). Se svými spolupracovníky uvažuje o možnosti výroby miniaturních molekulárních robotů, kteří by mohli vyrábět cokoliv, počínaje třeba raketami a konče miniponorkami putujícími v cévách a ničícími nemoci, a dokonce by mohli vytvářet i kopie sebe sama jako biologické buňky. A samozřejmě přemýšlí i o významu takových strojů pro lidskou společnost: odstranění hladu na světě, vyčištění životního prostředí, léčení rakoviny... Vědecká komunita však pohlíží na Drexlera a jeho příznivce v lepším případě jen jako na snílky, kteří nemají obě nohy na zemi, v horším případě jako na jakousi náboženskou sektu (důvodem jsou zejména ne zcela vědecké metody práce těchto badatelů). Je opravdu těžké představit si, že by nákladné a složité nanotechnologie mohly mít globální význam, s některými zajímavými aplikacemi však můžeme počítat tak do deseti let.