Nobel z chemii za maszyny molekularne

Trzech uczonych: Jean-Pierre Sauvage, James Fraser Stoddart i Bernard Lucas Feringa otrzymało tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Szwedzka Królewska Akademia Nauk postanowiła uhonorować tych badaczy za ich prace nad koncepcją i syntezą maszyn molekularnych, niezbędnych do rozwoju nanotechnologii. Laureaci podzielą się po równo 8 mln koron szwedzkich – równowartość około 850 tys. euro. Uroczyste wręczenie medali i dyplomów nastąpi jak zwykle w Sztokholmie 10 grudnia, w rocznicę śmierci fundatora Alfreda Nobla.

Jean-Pierre Sauvage, Francuz, ma 72 lata, jest związany z Uniwersytetem w Strasburgu. Sir Fraser Stoddart, profesor Northwestern University, ma 74 lata. Najmłodszy z trójki wyróżnionych, 65-letni Bernard Lucas Feringa, Holender, pracuje na Uniwersytecie w Groningen.

Tegoroczna nagroda została przyznana za stworzenie molekuł, których ruch może być kontrolowany. Jest to podstawa do powstania maszyn molekularnych. Patrząc z dzisiejszej perspektywy, można powiedzieć z bardzo dużą dozą prawdopodobieństwa, że takie urządzenia będą stosowane także do tworzenia nowych materiałów, czujników o niewyobrażalnej dziś precyzji, systemów magazynowania energii czy leków.

„Silnik molekularny znajduje się dziś w takim samym stadium jak motor elektryczny w roku 1830, gdy naukowcy prezentowali korby i koła poruszane prądem, zupełnie nie wiedząc o tym, że to doprowadzi do zbudowania pociągów elektrycznych, pralek, wentylatorów czy mikserów" – stwierdziło w komunikacie noblowskie jury.

Pierwszy krok na drodze ku molekularnym maszynom zrobił w 1983 roku Jean-Pierre Sauvage. Dzięki wykorzystaniu jonu miedzi udało mu się połączyć dwie cząsteczki o kształcie pierścienia.

Kolejny krok wykonał w 1991 roku Fraser Stoddart. Nasadził molekularny pierścień na cienką molekularną oś i zademonstrował, że może się on na tej osi obracać.

Trzeci z noblistów Bernard Lucas Feringa z Uniwersytetu Groningen był pierwszym, który skonstruował silnik molekularny. W roku 1999 zbudował molekularny wirnik kręcący się stale w tym samym kierunku – w najnowszej wersji osiąga 12 milionów obrotów na sekundę. Używając molekularnych silników udało mu się obracać szklany cylinder o długości 28 mikrometrów – 10 000 razy większy od silnika, a nawet zbudować nanosamochód – cztery molekularne silniki zamocowane do molekularnej ramy.

W jaki sposób cząstki mogą spełniać funkcję w zasadzie podobną do maszyn? Aby wykonywać jakąś pracę, molekuły muszą otrzymywać energię. Można to uzyskać, na przykład działając na nią światłem, pod wpływem dawki energii świetlnej skurczy się lub rozszerzy, może to następować cyklicznie. Kurczenie się i rozszerzanie na przemian to już jest wykonywana praca, ten ruch może coś napinać bądź luzować. To właśnie nad tego typu molekularnymi maszynami pracują tegoroczni nobliści.

Maszyny molekularne występują w przyrodzie – w komórkach organizmów. Działają jednak inaczej niż te opracowane przez noblistów. Prof. Robert Hołyst z Instytutu Chemii Fizycznej PAN wyjaśnia, na czym polega ten problem: – Natura do nakręcania swoich maszyn biologicznych w dużej mierze używa tzw. szumu termicznego. To wynik tego, że cząsteczki wokół nas poruszają się bardzo szybko, np. molekuły wody, z prędkością kilkuset metrów na sekundę. To, jak silne zderzenia zachodzą między cząsteczkami, można obserwować, patrząc pod mikroskopem na zanurzone w wodzie pyłki kwiatów nieustannie się poruszające. Energia szumu termicznego będzie miliardy razy większa niż praca, którą maszyna mogłaby wykonać. Komitet Noblowski nic o tym nie powiedział, ale to dramatycznie obniża użycie molekularnych maszyn w jakichkolwiek praktycznych zastosowaniach. Na razie jeszcze nie udało się wyprodukować maszyn molekularnych, które wykonują pracę użyteczną dla człowieka – podkreśla prof. Hołyst.

– Ze wszystkimi trzema laureatami znamy się i spotykamy od dawna. To absolutna elita naukowych elit. Wypiliśmy wspólnie niejedną butelkę dobrego wina. Wszyscy trzej są ludźmi, którzy nie tylko uprawiają fantastyczną naukę, ale też żyją pełnią życia, na przykład, są melomanami. Jeden z laureatów, James Fraser Stoddart, odwiedził Polskę. We wczesnych latach 80. Stoddart wspólnie z prof. Januszem Lipkowskim i ze mną powołał światową konferencję poświęconą chemii supramolekularnej, która po raz pierwszy odbyła się w Jachrance, a później przeniosła się do największych metropolii świata – wspomina prof. Janusz Jurczak z Instytutu Chemii Organicznej PAN.

Badania nad molekularnymi maszynami prowadzą także naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN. Udało im się opracować nanowiatrak – pojedyncze cząsteczki napędzane parującą wodą.

Sylwetki noblistów

Jean Pierre Sauvage | Absolutnie zaskoczony

– Absolutnie nie spodziewałem się, że zostanę jednym ze szczęśliwych laureatów ani w tym roku, ani w następnych latach. Przyznanie tej nagrody traktuję jako wyraz uznania dla wysokiego poziomu badań naukowych we Francji i w Europie – powiedział prof. Sauvage prezydentowi Francji, gdy zadzwonił on do laureata z gratulacjami.

Sauvage urodził się 21 października 1944 roku w Paryżu. Studiował w Ecole National Superieure de Chemie w Strasburgu oraz na tamtejszym Uniwersytecie Louisa Pasteura, na którym doktoryzował się w 1971 roku pod kierunkiem Jeana-Marie Lehna, przyszłego noblisty w dziedzinie chemii. Jest autorem i współautorem około 500 artykułów naukowych.

Z Uniwersytetem w Strasburgu, jako emerytowany profesor, związany jest do dziś. Wśród licznych wyróżnień, jakie otrzymał dotychczas, najbardziej prestiżowe to: Prix Izatt-Christensen (1991), Prix Nessim Habif przyznawana przez Uniwersytet w Genewie (1995), Grand Prix Pierre Süe Francuskiego Towarzystwa Chemicznego (2005), Prix Catalan Sabatier Królewskiego Hiszpańskiego Towarzystwa Chemicznego (2005), a także francuska Legia Honorowa.

—k.k.

Bernard L. Feringa | Jak bracia Wright

– Nie wiem, co powiedzieć. Jestem w szoku – powiedział prof. Feringa, gdy odebrał wiadomość o nagrodzie. – Po dłuższym zastanowieniu: wzruszyłem się.

Feringa urodził się w 1951 roku w Holandii. Przez całe naukowe życie związany jest z Uniwersytetem Groningen, z kilkuletnią przerwą na pracę dla firmy Shell. Po zrobieniu doktoratu w 1978 roku przeszedł jako chemik – specjalista od syntezy organicznej – do sektora prywatnego. W 1984 roku wrócił na uczelnię już jako wykładowca.

Jego zespół pod koniec lat 90. zbudował pierwszy molekularny silnik obracający się w jedną stronę. Kilka lat później naukowcy zbudowali „samochodzik" – pojazd z czterema takimi silnikami.

W uznaniu osiągnięć w 2008 roku królowa Beatrycze przyznała mu tytuł szlachecki. Feringa jest także honorowym członkiem zagranicznym American Academy of Arts and Sciences, a także wiceprzewodniczącym Królewskiej Akademii Nauk.