Nobelova nagrada za kemijo 2016

Letošnjo Nobelovo nagrado za kemijo bodo na decembrski slovesnosti prejeli francoski kemik Jean-Pierre Sauvage, britanski kemik James Fraser Stoddart in nizozemski kemik Ben Feringa za načrtovanje in sintezo molekularnih strojev. Najmanjši mogoči motorji so posebej oblikovane molekule, ki ob dovajanju energije opravljajo želeno funkcijo. Če lahko bički poganjajo bakterijo, zakaj neki ne bi mogel človek izdelati umetnih molekularnih strojev, se je daljnega leta 1984 na slovitem predavanju (splača se ga pogledati) vprašal Richard Feynman. Letošnji Nobelovi nagrajenci so to vizijo začeli udejanjati že pred Feynmanovim predavanjem na način, ki si ga dotlej ni nihče zamišljal.

Prve korake k razvoju molekulskih motorjev je predstavljala gradnja prepletenih molekul, katerih najpreprostejši primer so katenani. V tovrstnih molekulah sta dva sklenjena obroča prepletena, tako da se molekula ne more razleteti. S tem smo dobili novo vrsto kemijske vezi: mehansko vez. Obroča v molekuli med seboj nista povezana s klasičnimi kovalentnimi vezmi, zato njuno interakcijo imenujemo mehanska vez. Zamisel je elegantno preprosta, izvedba pa malo manj, saj so organski kemiki od 50. let poizkušali izdelati malo večje količine takih molekul, pa jim ni uspevalo. Šele leta 1983 je Sauvage s svojo skupino uspel, ko se je loteval popolnoma drugega problema. Sauvage je pri raziskavah kemijskih kompleksov, ki lahko absorbirajo sončno energijo, ugotovil, da se molekule lepo uredijo okrog bakrovih ionov. Vzel je eno molekulo z obročem in eno v obliki polkroga, ki sta se lepo uredili okrog bakrovega atoma, potem pa je drugo molekulo dopolnil z manjkajočim polkrogom. Z osupljivim 42-odstotnim izkoristkom je dobil katenan. Področje topološke kemije je oživelo in kmalu smo dobili kopico prepletenih molekul (npr. pretzelan in celo olimpijadan).

To so bili prvi koraki, ki so omogočili resen razvoj molekularnih strojev. Navsezadnje motor ni nič drugega kot kup elementov, ki se lahko vrtijo in premikajo v različnih smereh. Stoddart je s svojo raziskovalno skupino leta 1991 ustvaril posebno molekulo: odprt obroč s primanjkljajem elektronov in podolgovato molekulo z razširjenima koncema in s presežkom elektronov. Ko se je obroč nataknil na podolgovato molekulo, ki je služila kot os, so ga zaprli, s čimer so dobili rotaksan. Iz različnih rotaksanov so ustvarili molekularna dvigala, umetne mišice in celo čip s kapaciteto 20 kB. Sauvage je iz rotaksanom podobnih molekul ustvaril umetni filament, podoben mišičnim.

Ben Feringa je leta 1999 pokazal, kako je mogoče izdelati molekularni motor, ki se konstantno vrti v isto smer. Do leta 2014 je njegova skupina ustvarila molekularni rotor, ki se vrti z 12 milijoni obratov na sekundo. Že leta 2011 so iz molekul zgradili nanoavtomobil, ki je imel štiri takšne rotacijske molekule in vmesno togo ohišje. Čeprav so nanomotorji majceni, lahko sučejo precej večje strukture, denimo 10.000-krat večji stekleni valj (posnetek v tekočem kristalu).

Iz dela letošnjih nagrajencev so raziskovalci po vsem svetu ustvarili številne primerke nanomotorjev in molekularnih strojev, denimo za povezavo aminokislin v oligopeptide. Njihovo delo odpira pot za razvoj nanorobotov, nanostrojev in ostalih nanoorodij, ki nam lahko pomagajo rešiti svet ali pa zgolj kakšen problem prvega ali tretjega sveta.