Kémiai Nobel-díjat értek az első nanogépek

Stockholmban bejelentették az utolsó természettudományos Nobel-díj nyerteseit is.

A díjazott tudósok, a Strassburgi Egyetemen dolgozó Jean-Pierre Sauvage, az amerikai Északnyugati Egyetemen tevékenykedő Sir J. Fraser Stoddart és a Groningeni Egyetemen kutató Bernard L. Feringa, elérték a miniatürizálás végpontját azzal, hogy nanométeres mérettartományban létező molekulákat késztettek irányított mozgásra, sőt munkavégzésre. Ezzel megteremtették az első molekuláris gépeket, és olyan eszközök tervezését és előállítását tették lehetővé, amelyek olyan mikroszkopikus feladatok ellátására is képesek, amilyenekről korábban nem is álmodhattunk.

A nanogépek felé vezető úton az első mérföldkövet Jean-Pierre Sauvage érte el, amikor 1983-ban megalkotta az első katenánt, vagyis olyan molekulát, amelyben két, erős kovalens kötésekből felépülő gyűrűt flexibilis mechanikus kötés tart össze. Ez a jellemző azonnal rávilágít a molekuláris gépek első és legfontosabb kritériumára: olyan kapcsolódási pontokkal kell rendelkezniük, amelyek mentén a szomszédos molekularészek elmozdulhatnak egymáshoz képest.

A következő lépést J. Fraser Stoddart tette meg, amikor a kilencvenes évek elején kutatócsoportjával sikerült létrehoznia egy olyan molekulát, amely egy atomgyűrűből és a gyűrűn keresztülhatoló tengelyből állt. A tengely végei súlyzószerűen kiszélesedtek, hogy a rúd a gyűrűben maradjon. A vegyületet a forgás és a tengely latin megfelelőinek vegyítésével rotaxane-nak (rotaxán) nevezték el. Stoddart később már konkrét feladatok ellátásra is tervezett mozgó molekuláris méretű tanulmányokat, így jött létre a nanoemelő, a molekuláris izom és az atomi méretű komputercsip.

Mindezeket az eredményeket felhasználva az ezredforduló előtt Bernard L. Feringa szintetizálta az első molekuláris motort, amely képes volt folyamatosan egy irányba forogni, és a saját méreténél tízezerszer nagyobb molekulákat is forgatni tudott. Feringa még nanoméretű autót is tervezett.

A friss Nobel-díjasok munkásságának eredményeként mára már rendelkezünk a molekuláris gépek és a nanorobotok legelemibb alkatrészeivel, amelyekből akár a legkomplexebb feladatok végrehajtására is „beprogramozható”, mégis csak elektronmikroszkóppal látható nagyságú berendezéseket tudunk építeni.

Az ugyancsak Nobel-díjas fizikus, Richard Feynman már az 1950-es években megjövendölte a nanotechnológia eljövetelét, majd 1984-ben egy előadásában már konkrétan beszélt a molekuláris méretű gépek lehetőségéről. Valójában már évmilliárdok óta léteznek ilyen szerkezetek, de azokat természetesen nem az ember alkotta meg, hanem az evolúció. Legismertebb ezek közül a baktériumok mozgását segítő orsóit forgató gép. Ennek lelke egy csapágyszerű, az orsó tengelyét pusztán az atomok kémiai kölcsönhatása folytán pörgető szerkezet.

Feynman két módot tudott elképzelni az efféle, néhány atomból álló gépek elkészítésére. Az egyik szerint olyan szerkezeteket kell létrehoznunk, amelyek önmaguknál kisebb gépeket alkotnak. Így lépésről lépésre egyre kisebbek lesznek a megépített szerkezetek, mígnem eljutunk az atomi mérettartományba. A másik módszer az lett volna, hogy rétegről rétegre atomokat építünk egy felületre, majd a fölösleges részecskéket leoldjuk a felépülő konstrukcióról.

Ez az előadás tehát 1984-ben volt, és Feynman akkor még láthatóan nem értesült arról, hogy Jean-Pierre Sauvage egy évvel korábban már megtette az első lépést a nanogépek felé a katenán megalkotásával. Ő munkatársaival azon dolgozott, hogy több gyűrűvé zárult molekulát fűzzön láncszemszerűen egymásba úgy, hogy a gyűrűk mechanikailag összekapcsolódnak ugyan, a gyűrűt alkotó egyes atomok közvetlenül nem kötődnek a másik gyűrű egyetlen atomjához sem. Ezzel létrehozta az első ember alkotta molekulát, amelynek részei szabadon foroghattak függetlenül a többi molekularészlettől.

J. Fraser Stoddart Skóciában nőtt föl, a családi házban nem volt sem tévé, sem számítógép. Kedvenc időtöltése a kirakó volt, visszaemlékezései szerint e játék keltette fel az érdeklődését a bonyolult formák és összekapcsolódásuk lehetőségei – végső soron pedig a kémia – iránt. Sauvage eredményeit továbbfejlesztve tíz évvel később létrehozott egy olyan molekulát, amelyben egy gyűrű egy láncszerű molekula köré záródott, majd az elektromos vonzás és taszítás miatt a gyűrű véletlenszerűen pattogott a lánc – a létrejövő szerkezet tengelye – két vége között. A kutatásban az hozta a következő áttörést, amikor ezt a véletlenszerű mozgást sikerült megszelídíteniük és irányított munkára bírniuk. A létrehozott, rotaxán molekulát továbbfejlesztve olyan szerkezeteket alkottak, amelyek képesek voltak magukat, sőt hozzájuk kapcsolt terheket is fölemelni. Stoddart később egy molekuláris méretű komputercsipet is alkotott, amelynek memóriája 20 kilobájt volt.

Az első, valóban gépnek tekinthető molekuláris szerkezet megalkotása Bernard L. Feringa nevéhez fűződik, aki rendkívül elegáns kémiai trükkökkel érte el, hogy molekulagyűrűje uv fény hatására csak egy irányba forogjon – konkrétan molekuláris racsnit készített, amely megakadályozta az ellenirányú forgást –, így folyamatos munkavégzésre legyen késztethető. A terület fejlődési sebességére jellemző, hogy bár az első nanomotor még kifejezetten lassú volt, a kutatócsoport két évvel ezelőtt bemutatott új kreációja már 12 millió fordulatra volt képes másodpercenként.