Buldożer w nanoskali, czyli nowy silnik molekularny

W piwnicach Karl-Franzens-Universität Graz w Austrii znajduje się szereg stalowych zbiorników i plątanina rur pokrytych szronem. Urządzenie to – skaningowy mikroskop tunelowy – potrafi robić zdjęcia pojedynczych atomów i cząsteczek. Jest tak czułe, że działa najlepiej w nocy, kiedy nikt nie chodzi, nie rozmawia ani nie wywołuje w żaden inny sposób drgań budynku.

Na stojącym obok maszyny monitorze komputerowym widoczne są obrazy maleńkich plamek w kształcie serca na miedzianej powierzchni. Owe „serca” to pojedyncze cząsteczki, a mówiąc dokładniej cząsteczki ditolylu-ATI. Na początku tego roku Grant Simpson, chemik w laboratorium mikroskopii, manipulował nimi, mając nadzieję, że uda się je zmusić do działania jak miniaturowe przełączniki mechaniczne.

Tymczasem zaobserwował coś, co było znacznie bardziej intrygujące. Przy wzbudzaniu naelektryzowaną końcówką mikroskopu cząsteczki skakały – lecz nie były to skoki bezładne. „Stopniowo – mówi Simpson – dotarło do mnie, że poruszają się tylko w jednym kierunku”.

Owe skaczące serca to zupełnie nowy rodzaj nanosilnika molekularnego – maleńkiej maszyny, która zużywa energię, aby poruszać się w uporządkowany sposób wbrew działaniu entropii, która nieustannie zmusza świat w małej skali do przypadkowych, bezużytecznych ruchów. Niektóre nanosilniki zrobione przez człowieka obracają się w miejscu, lecz niewiele z nich potrafi regularnie przemieszczać się z punktu A do punktu B. Zadziwiające właściwości mechaniczne nowego silnika, opisanego niedawno w „Nature”, są wynikiem interakcji między cząsteczką a powierzchnią miedzi, po której się porusza – to tak, jak gdyby silnik pociągu składał się z części zarówno znajdujących się w lokomotywie, jak i osadzonych w torze pod nią.

Jest to niewielki, lecz znaczący krok w kierunku spełnienia marzenia o nanotechnologii, która tworzyłaby rzeczy tak, jak to czyni przyroda – oddolnie, atom po atomie. „Aby zrobić krzesło, ścinamy drzewo – mówi fizyk Leonhard Grill, współpracownik Simpsona z Universität Graz. – Przyroda działa odwrotnie – powoduje, że drzewo wyrasta”. Naukowcy konstruujący miniaturowe maszyny wyobrażają sobie wykorzystanie ich do produkcji nowych typów materiałów, przyspieszenia katalizy przemysłowej i manipulowania tkankami biologicznymi z efektywnością prawdziwych enzymów.

„Miniaturyzacja zawsze napędzała postęp techniczny” – mówi chemik David Leigh z University of Manchester. Problem z nanotechnologią polega jednak na tym, że mechanika znana z „wielkiego świata” nie obowiązuje na poziomie molekularnym, gdzie rządzi losowość. Jeśli parametry takie, jak temperatura, energia i ciśnienie, utrzymywane są na stałym poziomie, to procesy w małej skali – jak reakcje chemiczne czy ruchy cząsteczek – zachodzą z równym prawdopodobieństwem w każdym kierunku. Przejście z punktu A do punktu B w nanoskali przypomina rzucanie kostką i posuwanie się do przodu, do tyłu lub w bok w zależności od wyniku. „W nanotechnologii nie można stosować mechaniki Newtona – mówi Leigh. – To w zasadzie wyklucza wszystkie metody inżynieryjne, jakie wypracowaliśmy w naszych cywilizacjach w ciągu ostatnich 5000 lat”.

Dlaczego zatem naukowcy są przekonani, że konstruowanie maszyn w nanoskali jest w ogóle możliwe? Leigh twierdzi, że odpowiedzią jest to, że istnieje już gotowy działający przykład, „który nazywamy biologią”. Skomplikowane naturalne enzymy, które poruszają wici bakterii, napinają mięśnie zwierzęcia i syntezują energię chemiczną w mitochondriach komórki, to wszystko są właśnie maszyny molekularne.

W 1999 roku badacze zbudowali pierwszy nanosilnik molekularny z prawdziwego zdarzenia – zasilany światłem silnik wykonujący ruch obrotowy, co zostało później uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii. Od tego czasu powstało wiele innych rodzajów silników o różnych funkcjach. Chemiczka z Rijksuniversiteit Groningen Nathalie Katsonis i jej współpracownicy niedawno połączyli biliony nanosilników i zsynchronizowali ich działanie, aby fizycznie poruszyć makroskopowy polimer. Natomiast Leigh i jego zespół skonstruowali nanosilniki obrotowe, które, podobnie jak enzymy biologiczne, wykorzystują energię z reakcji chemicznych katalizowanych przez tenże sam silnik.

Jednakże silniki obrotowe pozostają w jednym miejscu; silniki molekularne, które poruszałyby się w linii prostej niczym pociągi po szynach, okazały się znacznie trudniejsze do zbudowania. Niektórzy badacze zsyntezowali cząsteczki o strukturze pierścieni, które są w stanie zarazem obracać się i ślizgać po rusztowaniach w kształcie hantli. Istnieje również coś takiego, jak „kroczące” DNA, które ma odnóża i przemieszcza się, wykonując kolejne kroki, podobnie jak niektóre biologiczne białka motoryczne.

Jednakże kroczące cząsteczki DNA są stosunkowo masywne (nie są ściśle rzecz biorąc „nano”, mówi Leigh) i potrafią wykonać tylko kilka kroków po starannie przygotowanych torach z kwasów nukleinowych. Natomiast nowe silniki w kształcie serca mają zaledwie kilka nanometrów średnicy i skaczą wzdłuż ścieżek z atomów miedzi, dopóki nie natrafią na skraj miedzianej powierzchni.

Simpson i Grill odkryli swój silnik zasadniczo przez czysty przypadek – to był „szczęśliwy traf”, mówi Grill. Badaczy zrazu zaintrygował sposób, w jaki cząsteczka ditolylu-ATI przerzuca jeden ze swoich atomów wodoru tam i z powrotem pomiędzy dwoma atomami azotu, co ich zdaniem mogłoby uczynić ją użyteczną jako przełącznik w nanoskali. Po latach pracy Simpson spróbował osadzić te cząsteczki na szczególnego rodzaju powierzchni miedzi zawierającej atomy ułożone w liniowych rzędach. Ku jego zaskoczeniu impuls elektryczny powodował, że serca zaczynały skakać wzdłuż owych ścieżek z atomów miedzi. Badacze potwierdzili następnie, że cząsteczki poruszają się tylko w jednym kierunku, a nawet mogą popychać inne cząsteczki niczym buldożery w nanoskali.

Ten nowy silnik działa na zasadzie zapadki energetycznej, mówi Katsonis, która nie brała udziału w tych badaniach. Wykorzystuje on energię – w tym przypadku impuls elektryczny – do przełączania się między dwoma stanami, z których każdy ma inny zestaw parametrów energetycznych. Pod wpływem elektryczności cząsteczka przechodzi do stanu bardziej wzbudzonego, w którym przemieszczanie się do przodu wzdłuż toru z atomów miedzi jest korzystne energetycznie. Gdy cząsteczka powraca do pierwotnego, niewzbudzonego stanu, wykonuje dokładnie jeden skok do przodu wzdłuż toru.

„Moim zdaniem jest to interesujące z dwóch powodów” – mówi Katsonis. Po pierwsze, cząsteczki wchodzą w interakcję z czymś większym niż one same, w tym przypadku z metalową powierzchnią. Po drugie, poruszają się po linii prostej wzdłuż toru z atomów – co stanowi klucz do uzyskania ruchu ukierunkowanego w nanoskali. W końcu wiele liniowych silników molekularnych w biologii zazwyczaj porusza się wzdłuż rusztowań, aby przemieszczać się we właściwym kierunku.

„To jest naprawdę super, ponieważ mamy do czynienia z jednowymiarowym ruchem ukierunkowanym w bardzo minimalistycznym systemie” – mówi Leigh. Nowa zapadka energetyczna prawdopodobnie nie będzie w najbliższym czasie napędzać nanobota ani budować drzewa atom po atomie, niemniej pozwala się łatwo badać za pomocą skaningowych mikroskopów tunelowych, co czyni ją idealnym systemem testowym do przyszłych eksperymentów z zapadkami energetycznymi, torami z atomów i ruchem ukierunkowanym – Katsonis i Leigh zapewniają, że jest to olbrzymi postęp.

Dziękujemy, że jesteś z nami. To jest pierwsza wzmianka na ten temat. Pulsar dostarcza najciekawsze informacje naukowe i przybliża najnowsze badania naukowe. Jeśli korzystasz z publikowanych przez Pulsar materiałów, prosimy o powołanie się na nasz portal. Źródło: www.projektpulsar.pl.