Znaczenie motorów molekularnych
– W każdym żywym organizmie nieustannie działają tysiące maleńkich maszyn molekularnych, mierzących zaledwie kilka nanometrów. To właśnie one odpowiadają za podstawowe procesy biologiczne, które razem składają się na to, co nazywamy „życiem”. Na przykład miozyny odpowiadają za skurcz mięśni – poruszają się po włóknach aktynowych w sarkomerach, jednostkach funkcjonalnych mięśni, i generują siłę, która napędza ruch ciała. My, jako naukowcy, dopiero od około 20–30 lat próbujemy tworzyć ich syntetyczne odpowiedniki. I choć jesteśmy dopiero na początku tej drogi, osiągnęliśmy już pierwsze znaczące sukcesy. Jednym z nich było opracowanie sztucznej maszyny molekularnej, która pracuje z większą wydajnością niż jej biologiczny pierwowzór – mówi dr Danowski.
Mimo wczesnego etapu rozwoju tej gałęzi chemii już dziś widać potencjalne zastosowania maszyn molekularnych. Przede wszystkim mogą one w przyszłości precyzyjnie dostarczać leki i substancje aktywne do konkretnych miejsc w organizmie – na przykład do komórek nowotworowych – oszczędzając przy tym zdrowe tkanki! Innym przykładem zastosowań są inteligentne materiały, membrany, pochłaniacze czy cienkowarstwowe filtry, które mogą znaleźć zastosowanie w energooszczędnych procesach rozdzielania („odsiewania”) substancji (ang. molecular sieving).
Strategia zwiększania wydajności obrotowej silników molekularnych z regulacją prędkości za pomocą światła widzialnego. Źródło: Wydział Chemii UW
Innowacyjny sposób kontrolowania ruchu motorów molekularnych
Istotą działania motoru molekularnego jest obrót jednej jego części względem drugiej wokół osi. Część nieruchoma, tzw. stator, jest zazwyczaj przytwierdzona do podłoża, a część ruchoma, tzw. rotor, może się obracać. Osią łączącą te dwie części jest fragment cząsteczki, np. dwa atomy węgla połączone wiązaniem podwójnym (alken). Zasilanie ruchu obrotowego motoru było dotychczas uzyskiwane przede wszystkim za pomocą promieniowania UV. Dr Danowski w swoich najnowszych badaniach pokazuje, że dla określonych typów motorów molekularnych równie skuteczne może być promieniowanie z zakresu światła widzialnego.
– Zastąpienie światła UV światłem widzialnym znacząco wydłuża żywotność maszyn molekularnych, poprawia ich sprawność, a dodatkowo w kontekście zastosowań biologicznych minimalizuje toksyczność i pozwala na bezpieczniejsze przenikanie światła przez tkanki. Każdy, kto choć raz przesadził z opalaniem, wie, jak szkodliwe może być promieniowanie UV – zauważa badacz z UW.
Kolejnym kamieniem milowym na drodze do pełniejszego wykorzystania potencjału maszyn molekularnych jest poszerzenie wachlarza ich funkcjonalności o możliwość kontroli ich pracy w sposób zdalny. W swoich badaniach, w oparciu o symulacje z zakresu chemii kwantowej, dr Joanna Jankowska wykazała, że wykorzystując zewnętrzne pole elektryczne, można kontrolować kierunek obrotu motoru molekularnego. Jest to związane ze zmianą konfiguracji jego chiralności, czyli właściwości niektórych cząsteczek polegającej na tym, że posiadają one odbicie lustrzane nieidentyczne z nimi samymi (tak jak prawa i lewa ręka).
– Takie odkrycie jest bardzo ważne, ponieważ zmiana chiralności nie jest prostą reakcją i zwykle wymaga przeprowadzenia pełnoskalowej chemicznej interwencji, czyli wprowadzenia reagenta, przeprowadzenia reakcji ilościowej i usunięcia go. W naszej pracy projektujemy na nowo strukturę motoru tak, żeby można było za pomocą impulsu pola elektrycznego zmienić kierunek jego obrotu. Pierwszy raz okazało się to możliwe bez użycia jakichkolwiek chemicznych metod – podkreśla dr Jankowska.
Schemat indukowanego impulsem pola elektrycznego przełączania kierunku pracy motorów molekularnych. Źródło: Wydział Chemii UW
Przełomowość badań
Zastosowanie fizycznych czynników do sterowania motorami molekularnymi otwiera nowe perspektywy ich praktycznego wykorzystania. Motory napędzane światłem różnią się istotnie od tych sterowanych chemicznie – przede wszystkim nieodwracalnym w mikroskali charakterem procesów fotochemicznych. Klasyczne reakcje chemiczne są zazwyczaj równowagowe i odwracalne, co komplikuje projektowanie jednokierunkowych nanomaszyn. Procesy fotochemiczne takich ograniczeń nie mają, co pozwala uzyskać wyjątkowo wysoką jednokierunkowość i precyzję ruchu – zaledwie jeden błąd na kilkanaście milionów obrotów.
– Jednak największym wyzwaniem pozostaje przeniesienie tej technologii z laboratorium do codziennego życia. Choć dziś operujemy głównie w warunkach kontrolowanych, przyszłość może przynieść zastosowania tych mikroskopijnych maszyn w medycynie, inżynierii materiałowej czy nawet w inteligentnych systemach energetycznych. Wciąż jesteśmy na początku tej drogi, ale kierunek jest jasny – stwierdza dr Danowski.
Z kolei możliwość zmiany kierunku obrotu motoru molekularnego za pomocą pola elektrycznego to prawdziwy przełom. Pozwala bowiem na zdalne i szybkie sterowanie bez potrzeby fizycznego kontaktu oraz ingerencji chemicznej.
– Jeżeli coś skręca w lewo, to chcielibyśmy móc to przełączyć, trochę jak w zabawce lub w prawdziwych maszynach, żeby teraz dla odmiany kręciło się w prawo. To była inspiracja dla tych badań, taka bardzo naturalna, ludzka ciekawość, czy też poczucie, że to po prostu musi dać się jakoś zrobić. Naukowo okazało się trudne, ale chyba się udało – podsumowuje dr Jankowska.
Czytaj więcej na: serwisnaukowy.uw.edu.pl
dr inż. Wojciech Danowski jest chemikiem, swoje badania prowadzi na Wydziale Chemii UW, w Laboratorium Technologii Organicznych Materiałów Funkcjonalnych. Pracę doktorską obronił w Holandii, pod kierunkiem noblisty, prof. Bena L. Feringa, z którym współpracuje do dziś. Jego zainteresowania naukowe obejmują przełączniki, maszyny molekularne i materiały porowate.
dr Joanna Jankowska jest chemiczką teoretyczną, swoje badania realizuje w Grupie Spektroskopii Obliczeniowej na Wydziale Chemii UW. W centrum jej zainteresowań leży fotochemia funkcjonalnych układów molekularnych oraz materiałów do pozyskiwania i magazynowania energii słonecznej. Ze szczególną pasją poszukuje nowych zastosowań urządzeń molekularnych.
Materiał Partnera
