Predstavte si stroje tisíckrát tenšie než ľudský vlas.

Slovo nemožné tu v žiadnom prípade nie je na mieste. Nobelovu cenu za chémiu totiž získali traja chemici práve za „dizajn a syntézu molekulových strojov“.

Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart a Bernard L. Feringa spojili molekuly a vytvorili z nich štruktúry, ktoré fungujú ako miniatúrne stroje. Medzi ich konštruktmi nájdeme molekulový motor, výťah, ale aj nanostroj pripomínajúci auto.

Nanostroje pritom majú podľa portálu denníka The Guardian veľký potenciál napríklad pre vývoj medicínskych mikro-robotov, alebo pre materiály, ktoré sa dokážu opraviť bez ľudskej asistencie.

Tvoriť a ovládať

Technológovia už od pradávna smerovali k neustálemu zmenšovaniu svojich vynálezov. Od televízií a mobilov až po počítače a autá. Vedci však miniaturizáciu posunuli na úplne novú úroveň – molekulovú.

Výskumníci pritom molekulové stroje poznajú už z prírody. Jedným z nich je bakteriálny bičík, vďaka ktorému sa baktérie môžu pohybovať. Tento bičík je pritom komplexom makromolekúl, ktoré sa krútia a baktériu tým posúvajú vpred.

Vedci však chceli molekulové stroje uchopiť do vlastných rúk. Chceli ich sami vytvoriť – a ovládať.

BREAKING NEWS 2016 #NobelPrize in Chemistry to Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart and Bernard L. Feringa pic.twitter.com/buInkIc1KC

— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 5, 2016

História výskumu, ktorý bol dnes ocenený Nobelovou cenou sa začala v roku 1983, kedy sa francúzskej výskumnej skupine pod vedením Jean-Pierrea Sauvagea podarilo vytvoriť reťazec dvoch molekúl spojených mechanickou väzbou.

Väzba bola pritom kľúčová. Išlo totiž o nový typ, ktorý sa dovtedy nikomu nepodarilo vytvoriť. Týmto spojením navyše Sauvage skonštruoval aj novú molekulu.

Stroj musí mať pohyblivé časti

Molekuly sa za normálnych okolností spájajú silnou chemickou väzbou, v ktorej atómy zdieľajú elektróny, známou pod názvom kovalentná. Vedci však chceli vytvoriť mechanickú väzbu, pri ktorej by atómy jednotlivých molekúl neprichádzali do styku a ktorá by jednotlivým častiam reťazca umožnila nezávislý pohyb.

V 50. a 60. rokoch sa vedcom podarilo vytvoriť niekoľko molekulových reťazcov, no metóda na ich vytvorenie bola príliš komplexná a výsledné množstvo reťazcov neúmerne malé.

To všetko sa zmenilo keď Sauvageov tím použil na spojenie molekúl jednoduchý ión medi. „Prepletenie dvoch molekúl tak, aby vznikli spojené oká molekulovej reťaze, by bolo len málo pravdepodobné bez ich interakcie. Ión medi však tieto dve molekuly „pridrží“ pri sebe, vďaka čomu sa oká molekulovej reťaze dajú úspešne uzavrieť,“ vysvetľuje Martin Putala, vedúci Katedry organickej chémie PriF UK.

Po odstránení iónu zostali molekuly skutočne úspešne spojené a vznikol reťazec, ktorý nazývame katenán.

Breakthrough in 1983: Jean-Pierre Sauvage used a copper ion to interlock molecules using a mechanical bond #NobelPrize #Chemistry 2016 pic.twitter.com/sQqZVx0HMh

— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 5, 2016

„Na to, aby stroj vykonal úlohu, musí pozostávať z niekoľkých častí, ktoré sa vo vzťahu k sebe môžu nezávisle pohybovať,“ uvádza sa v tlačovej správe švédskej Kráľovskej akadémie vied.

Sauvageov reťazec to dokázal. V roku 1994 sa jeho tímu podarilo vytvoriť katenán, v ktorom sa po dodaní energie jeden z prstencov točil okolo druhého.
Akonáhle molekuly rozhýbali, k strojom to už bol len krôčik.

Na farme a bez elektriny

Chemikom, ktorý Sauvageov výskum rozvinul do ďalších štádií, bol Škót Frase Stoddart. Stoddart vyrástol na farme bez elektriny, či moderných výdobytkov, no to nezahatalo jeho cestu k chémii.

Podľa tlačovej správy Kráľovskej akadémie vied chcel byť molekulovým umelcom. Formovať tvary, ktoré svet ešte nikdy nevidel. Čo sa mu aj podarilo.

V roku 1991 „navliekol“ Stoddartov tím prstenec, ktorému chýbali elektróny, na niečo ako molekulovú tyč, ktorá na dvoch miestach obsahovala množstvo elektrónov, ktoré prstenec priťahovali. Ten bol k „tyči“ mechanicky pripevnený a vedci vytvorili novú molekulovú štruktúru – rotaxan.

Stoddartovi sa následne pomocou zvyšovania teploty podarilo ovládnuť pohyb prstenca po osi. Priblížil tak vedu o krok bližšie ku kontrolovaným molekulovým strojom.

2016 Chemistry Laureate Fraser Stoddart created a molecular shuttle that could move along an axle in a controlled manner. #NobelPrize pic.twitter.com/iyElKySsQ8

— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 5, 2016

Časom sa Stoddartovi a jeho výskumnému tímu podarilo vytvoriť zložitejšie stroje – molekulový výťah, ktorý sa dokáže zdvihnúť o 0,7 nanometra, či dokonca umelý sval založený na rotaxanoch. V spolupráci s inými výskumníkmi vytvoril pomocou rotaxanov aj počítačový čip s pamäťou 20kB.

Auto na štyroch motoroch

Jean-Pierre Sauvage v roku 2000 spolu so svojím výskumným tímom vytvoril rotaxanovú štruktúru, ktorú by sme mohli prirovnať k motoru. Úplne prvým vedcom, ktorému sa však podarilo molekulový motor skonštruovať, bol tretí ocenený – Ben Feringa. 

Majstrovstvo jeho motora spočívalo aj v tom, že za normálnych okolností sa molekuly pohybujú pod vplyvom náhody. Točiaca sa molekula tak môže ľubovoľne smerovať do pravej aj ľavej strany. Feringovi sa však podarilo ich pohyb ovládnuť a vytvoriť molekulu, ktorá sa točí do vopred daného smeru.

Keď Feringa vytvoril prvý molekulový motor, bol navrhnutý tak, aby sa točil do konkrétneho smeru. Jeho výskumný tím však motor vylepšil natoľko, že sa dnes dokáže za sekundu otočiť 12 miliónov krát.

Motor výskumnému tímu ale nestačil a pred piatimi rokmi postavili dokonca aj „nanoauto“ so štyrmi motormi zastupujúcimi kolesá.

Zdroj: youtube.com/Chemistry World

Počítače aj samoliečba

„Laureáti otvorili celú oblasť molekulových strojov,“ uviedol počas vyhlásenia Göran Hansson zo švédskej Kráľovskej akadémie vied. Ukázali, že molekulové stroje sú reálne – od počiatočných dvoch kruhov až po molekulový stroj pripomínajúci auto.

Nanostroje majú veľký potenciál pre ďalšie využitie v budúcich technológiách a výskumoch. Je dôležité poznamenať, že okrem pohybu dokážu napríklad aj nosiť. „Môžu prenášať nanoobjekty, čo dokumentuje fungovanie molekulového výťahu či molekulového vláčika,“ uvádza Martin Putala.

Budúce využitie nanostrojov pritom podľa vlastných slov vidí predovšetkým v elektronike, pri vývoji miniaturizovaných počítačov pracujúcich na molekulovej úrovni, ako aj v medicíne – pri opravovaní poškodených bunkových štruktúr.

Výskum dnešných troch laureátov dokázal, že táto oblasť vedeckého výskumu je prístupná a najmä možná. Ďalší vývoj a využitie nanostrojov sú tak výzvou pre výskumníkov po celom svete.