Maszyny molekularne: inżynieria przyszłości

Znany z olbrzymiej wyobraźni i wizjonerstwa Feynman zatytułował swoje wystąpienie „There’s plenty of room at the bottom” („Tam na dole [w głębi] jest wiele miejsca”). Było to swoiste zaproszenie do tego, aby spróbować stworzyć zupełnie nową gałąź nauki – na pograniczu fizyki i chemii, która będzie się zajmować możliwością manipulacji materią na poziomie pojedynczych cząsteczek lub nawet atomów. Znany ze swoich wyrazistych porównań spytał: a może udałoby się zmieścić całą zawartość 24 tomów Encyclopaedia Britannica zmieścić na czubku szpilki?

Oczywiście Feynman nie poprzestał na pytaniach. W dalszej części referatu wykazał, że jest to jak najbardziej możliwe, jeśli tylko nauczymy się poruszać w głębi, na poziomie pojedynczych atomów. W tamtym czasie realizacja idei Feynmana przekraczała możliwości techniczne człowieka, ale ważna była sama idea. Jak na kogoś, kto całą młodość poświęcił na rozmaite eksperymenty, przystało, Feynman zasugerował kilka metod, które mogłyby pozwolić na realizację tego pomysłu. Można uznać, że ten wykład Feynmana zapoczątkował to, co dziś nazywamy ogólnie nanotechnologią.

Przez jakiś czas temat został zapomniany. Zmieniło się to w latach 80. XX w., kiedy to ukazała się książka K. Erica Drexela „Engines of Creation. The Coming Era of Nanotechnology” z przedmową Marvina Minsky’ego. Jest ona w pewnym sensie twórczym rozwinięciem idei Feynmana. Autor pisze w niej o możliwości zapisania całej zawartości Biblioteki Kongresu USA na chipie o wielkości kostki cukru, jak też rzuca pomysł samoreplikujących się nanomaszyn. Rozwija także myśl Feynmana o „nanolekarzach”, czyli miniaturowych urządzeniach wprowadzanych do organizmu człowieka, aby dokonywać napraw miejsc chorych. Ale zauważa też, że możliwe są czarne scenariusze. To właśnie Drexel wymyślił „szarą maź” (ang. grey goo), czyli coś, co pozostaje po biosferze, gdy samoreplikujące się maszyny wymykają się spod kontroli.

Budujemy nanomaszyny

Maszyny ze świata mikro składają się ona z wielu  elementów, które są często wspólne dla różnych maszyn. Przykładowo – koła zębate czy przekładnie znajdziemy zarówno w maszynie do szycia, jak też w samochodzie czy w tokarce. Wiele maszyn wymaga napędu, czyli obecności jakiegoś silnika. Podobnie będzie w przypadku maszyn molekularnych. Ttutaj do głosu dochodzą chemicy, przede wszystkim ci, którzy zajmują się syntezą organiczną. To właśnie oni mają za zadanie zaprojektować i zsyntetyzować podstawowe elementy, z których potem będzie można budować różne konstrukcje. W jakimś sensie jest to powtórka z czasów starożytnych, gdy stworzono maszyny proste, takie jak dźwignia, przekładnia czy śruba. Teraz trzeba coś podobnego stworzyć na bazie kilkudziesięciu czy też kilkuset atomów.

Nie jest to łatwe zadanie, ale odnotowano już na tym polu pierwsze sukcesy. Specjalistom od syntezy było o tyle łatwiej, że od jakiegoś czasu istniała już dziedzina zwana topologią chemiczną, choć w połowie XX w. uznawano ją za nieco egzotyczną. Zajmuje się ona matematycznym opisem trójwymiarowej geometrii już istniejących cząsteczek, jak też przewidywaniem kształtu takich, których jeszcze nie otrzymano eksperymentalnie.

Klasycznymi już przykładami związków, którymi zainteresowali się chemicy, były katenany (struktura podobna do przeplatających się kół olimpijskich) i rotaksany (wyglądające jak kawałek liczydła z jednym kółkiem na drucie). Pierwsze związki tych dwóch klas otrzymano w latach 80. XX w. Warto podkreślić, że było to w jakimś sensie kopiowanie natury – znane są bowiem struktury katenanowe czy też węzły DNA. Z kolei pod koniec XX w. kilka grup zajmujących się syntezą doniosło o otrzymaniu pierwszych udanych struktur, w których energia dostarczana z zewnątrz (zwykle w formie światła) generowała ruch. Otrzymano nawet coś w rodzaju syntetycznego molekularnego mięśnia złożonego z dwóch splecionych rotaksanów. Kolejnym pomysłem był molekularny „wahadłowiec” otrzymany w 1991 i uzyskany na jego bazie przełącznik.

Na początku XXI w. struktury stały się bardziej złożone – otrzymano m.in. nanozawór, który może być zastosowany w systemach dostarczania leków bezpośrednio w konkretne miejsce organizmu. Kolejne syntezy dały też cząsteczkę, która działa jak zapadka. Był to pierwszy krok do stworzenia przekładni – bardzo istotnego elementu wielu konstrukcji mechanicznych. Następna była pompa molekularna, a niedługo później stworzono pierwszy syntetyczny silnik molekularny napędzany światłem.

Samochód w wersji nano

Jedni uczeni skupili się na tworzeniu elementów, które mogą znaleźć zastosowanie w tworzeniu złożonych maszyn molekularnych, inni natomiast poszli na całość. A wszystko zaczęło się w zasadzie od publikacji w naukowo-satyrycznym dwumiesięczniku „Annals of Improbable Research” („Roczniki badań nieprawdopodobnych”). Co ciekawe, jej autorem jest Polak, Marek T. Michalewicz. W swoim tekście zasugerował on możliwość stworzenia nanoauta, m.in. na bazie znanych już fulerenów. Idee Michalewicza postanowił zrealizować w pierwszej dekadzie XXI w. zespół z Rice University w Teksasie, pracujący pod kierunkiem prof. Jamesa Toura. Zsyntetyzowano związek, składający się z nieco ponad 700 atomów, wyposażony w cztery koła (fulereny C60), ramę oraz dwie osie. Nie jest to jeszcze takie prawdziwe auto, ponieważ nie posiada silnika. Jednym z celów badawczych zespołu było stwierdzenie, czy koła pojazdu w trakcie ruchu będą się ślizgać po powierzchni czy też toczyć. Badania wykazały, że toczą się, tak jak w prawdziwym aucie. Obecnie trwają prace nad stworzeniem nanoauta wyposażonego w silnik molekularny napędzany światłem. Osiągnięto już częściowy sukces, przy czym konieczna była zmiana kół fulerenowych na karboranowe (związek boru, węgla i wodoru).

Skoro pojawiły się już nanosamochody, kolejny krok był nieuchronny. Wiosną tego roku zostały rozegrane pierwsze na świecie wyścigi nanoaut. Na starcie stanęło sześć zespołów. Samochód zwycięzców, zespołu amerykańsko-austriackiego, pokonał dystans 1 mikrona (jedną tysięczną milimetra) w ciągu 29 godzin.

Nobel 2016

Chemicy pracujący nad stworzeniem maszyn molekularnych zostali docenieni przez komitet noblowski, który przyznał w 2016 r. nagrodę trzem uczonym. Otrzymali ją: Jean-Pierre Sauvage (za syntezę katenanów), Sir J. Fraser Stoddart (za rotaksany oraz tzw. windę molekularną) oraz Bernard L. Feringa (za stworzenie silnika molekularnego, którego najnowszy model osiągnął 12 tys. obrotów na sekundę). Było to ukoronowanie prac teoretycznych oraz syntetycznych, które trwają nieprzerwanie od lat 80. XX w. Wydaje się pewne, że nie jest to ostatnia nagroda za prace dotyczące maszyn molekularnych. Komitet noblowski zauważył m.in., że stan prac w tej dziedzinie  przypomina w tym momencie nieco stan prac nad silnikami elektrycznymi w latach 30. XIX w. Wtedy były one tylko ciekawostką naukową, a dziś trudno sobie wyobrazić dziedzinę życia, w której można się bez nich obyć. Prawdopodobnie tu będzie podobna sytuacja.

Coraz więcej zespołów naukowych na świecie zaczyna się interesować tą tematyką. Są to zazwyczaj grupy interdyscyplinarne, łączące chemików, fizyków, specjalistów od inżynierii, jak też teoretyków. Czekają nas jeszcze lata żmudnej pracy, zanim zobaczymy realne, złożone maszyny molekularne w działaniu. Cały czas także trwają prace nad nanofabrykami, czyli systemami, w których konstrukcja kolejnych pokoleń nanomaszyn będzie odbywać się automatycznie na poziomie molekularnym. To oczywiście nie jest całkowicie oryginalny wymysł człowieka. W każdej naszej komórce działają takie fabryki, np. syntetyzujące białka na podstawie informacji zawartych w DNA. Podobnie ma się rzecz z maszynami molekularnymi – istnieją białka motoryczne, takie jak niesamowite kroczące kinezyny czy też będące składnikami mięśni miozyny. Ewolucja biologiczna wytworzyła wiele mechanizmów, którym przyglądamy się coraz dokładniej, czerpiąc inspirację do naukowej chemiczno-fizycznej twórczości. Najważniejsze jest jednak to, że pokazano, iż idee Feynmana, które kilkadziesiąt lat temu uznawano za fantazję, można jednak przełożyć na konkrety.

Mirosław Dworniczak