Nobelova cena 2016 za chemii: Molekuly strojem. Autem. Výtahem

Miniaturní výtah, nepatrná autíčka, tenoulinké umělé svaly. Nanostroje všeho druhu dnes vznikají v laboratořích na celém světě. Možnosti miniaturizace jsou nekonečně velké. Tři vědci, průkopníci, dnes dostali Nobelovu cenu za chemii. Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart a Bernard L. Feringa, kteří stvořili ty nejmenší myslitelné stroje.

Miniaturizace technologií umožnila revoluci vědy. Součástky velikosti mikrometru přinesly obrovský pokrok, ale pořád pro ně platí zákony makrosvěta. Další zmenšování přeneslo vědce do úplně jiné dimenze. Nanoroboti a molekulární stroje velikosti atomů a molekul daly nový rozměr chemii. Jejich využití ve vědě skýtá nekonečné možnosti, jmenujme například nové materiály nových vlastností, senzory, systémy uchování energie. Na využití nanostrojů s napětím čekáme i v medicíně, zde by otevřely zcela novou a významnou kapitolu léčení rakoviny a dalších smrtelných chorob. Nanotaxíky, které by dovezly lék přímo do nemocné buňky, nebo smrtící látku do buňky nádorové, jsou už dlouhou dobu snem lékařů a vědců.

 ČTĚTE TAKÉ:  Josef Michl, Jaroslav Vacek: Molekulární stavebnice

První krok k molekulárnímu stroji učinil Francouz Jean-Pierre Sauvage, když v roce 1983 dokázal poručit dvěma kruhovým molekulám, aby se spojily do řetězu. Struktury nazvané katenany, obsahující alespoň dva kruhy propojené v řetěz ( lat. catena) jsou spojeny volnější mechanickou vazbou (nikoli pevnou kovaletntní) a mohou se tedy „na povel“ měnit a pohybovat vůči sobě. (Jak je k tomu Sauvage donutil, vidíme na obrázku.)

Jean-Pierre Sauvage za pomoci iontu mědi „svázal“ molekuly mechanickou vazbou.

 Po řetězech se Sauvage pustil do dalších kousků: začal si „hrát“ s uzly.

J.P. Sauvage již z molekul vytvořil uzel typu trojlístek neboli také symbol Svaté trojice (a.). Pak boromejské kruhy (b). A společně s F. Stoddardem pak do světa molekul převedl další symbol, tzv. šalamounův uzel (c.).

Druhý krok na poli molekulárních nanorobotů vykonal Skot Fraser Stoddart (nyní působí v USA). V roce 1991 vyvinul tzv. rotaxany. Molekulární „kroužek“ nasadil na „hřídel“ a ukázal, že jeho výtvor je schopný se otáčet. Na principu rotaxanů (kolo je latinsky rota a osa axis) pak postavil i miniaturní výtah, molekulární sval a počítačový čip.

Fraser Stoddart vytvořil molekulární kyvadlovou dopravu, která se může dle instrukcí pohybovat sem a tam kolem nápravy nebo nosné hřídele.

A takto pracuje Stoddartův molekulární výtah.

Nizozemec Bernard Feringa má zase na kontě prvenství při vývoji molekulárního motoru. V roce 1999 sestrojil rotor, jehož lopatky se nepřetržitě otáčely ve stejném směru. A brzy následovalo i první nanoauto o čtyřech kolech. To vše viditelné jen elektronovým mikroskopem.

První molekulární motor Bena Feringy.

A první nanoauto o čtyřech kolech.

Základní myšlenky nanotechnologií zformuloval Richard P. Feynman (též nositel Nobelovy ceny za fyziku z roku 1959) ve svém vizionářském příspěvku There’s a Plenty of Room at the Bottom předneseném na kongresu American Physical Society v roce 1959. Tehdy inspiroval vědce, aby svou pozornost zaměřili na miniaturní struktury a dokonce i stroje, jejichž stavebními kameny budou jednotlivé atomy. Letošní laureáti jeho myšlenku do značné míry naplnili. Jejich molekulární systémy opustily statickou polohu a jsou schopné řízeného pohybu.

„Dnešní udělení Nobelovy ceny za výzkum molekulárních strojů je vyvrcholením dlouhodobého úsilí několika generací vědců,“ komentuje pro vesmir.cz profesor Martin Kotora z katedry organické chemie a radiochemie Přírodovědecké fakulty UK. „Prvními pionýry v této oblasti byli Donald Cram, Jean-Marie Lehn a Charles Pedersen, kteří za položení základů a rozvoj supramolekulární chemie dostali Nobelovu cenu v roce 1987. Letošní laureáti revolučním způsobem posunuli hranice této oblasti o několik úrovní dále. Výsledky jejich prací otevřely cestu k sestavování mnoha dalších pohyblivých prvků – jak jednoduchých strojů, jako jsou klouby, ložiska, táhla, páky, spínače sestávajících z relativně malých molekul, tak i komplexnějších systémů tvořených velkými molekulami složených ze stovek či tisíců atomů.“

Ačkoli vývoj nanostrojů rychle pokračuje, nobelovský výbor však připomíná: Je třeba si uvědomit, že se nacházíme ve fázi srovnatelné s rokem 1830. Tehdy se objevil první elektrický motor a lidé obdivovali, jak se ta kola pěkně točí. Nikdo tehdy nedokázal dohlédnout k pračkám, fénům, kuchyňským robotům, elektrickým vlakům. Co všechno nám přinesou v budoucnu molekulární stroje?

„Vývoj molekulárních strojů a podobných molekul zasahuje rozsáhle do mnoha dílčích oborů. Ve stejném duchu se předpokládá i jejich potenciální použití, jež zahrnuje prostor sahající od medicíny až po organickou elektroniku a počítačovou vědu,“ dodává profesor Kotora. „Další rozvoj v této oblasti bude zcela jistě záviset jak na fantazii, tak na invenci nastupující generace.“