Maszyny molekularne.

Nobel z chemii 2016

Chemia, jaką znamy ze szkoły, opiera się na tablicy Mendelejewa. To fundament pozwalający świadomie planować i tworzyć nowe molekuły, nawet przewidzieć ich właściwości fizyczne i chemiczne. Na tej drodze poznaliśmy wszystkie istotne pierwiastki, również wszystkie istotne typy wiązań chemicznych, potrafimy także przewidzieć poprawnie kąty między wiązaniami. Wydawało się, że w ten sposób panujemy intelektualnie nad chemią — rozumiemy ją.

Z tym zrozumieniem był jednak, jak się okazuje, poważny problem. Molekuły, które umieliśmy tworzyć w przeszłości, były zwykle małe, tak małe, że ich powierzchnia była, z grubsza rzecz biorąc, wypukła. Dopiero w latach siedemdziesiątych XX wieku możliwa była synteza na tyle wielkich molekuł, że mogły one przyjąć kształt wklęsły. Fundamentalnym odkryciem poprzedników tegorocznych noblistów, Pedersena, Crama i Lehna (Nagroda Nobla w dziedzinie chemii w 1987 roku), było to, że gdy wklęsłość jednej molekuły idealnie pasuje do wypukłości drugiej („klocki Lego”), to ich przyciąganie jest wyjątkowo silne.

Rys. 1. Prototyp rozpoznania molekularnego — osiągnięcie Pedersena. Molekuła w kształcie obwarzanka (eter koronowy) ma w środku wnękę z atomami tlenu (czerwone kulki) o cząstkowym ładunku ujemnym. W tę wnękę może się wpasować i tam zostać związany tylko kation metalu (kulka niebieska) o odpowiednich rozmiarach

.To nazywamy rozpoznaniem molekularnym (rys. 1.). Otworzyło się pole do planowania syntezy takich molekuł, które na pewno rozpoznają się w roztworze i złożą się same w przewidzianą przez chemika strukturę przestrzenną, coś jakby cudowne, samoskładające się klocki Lego. Tak powstała chemia supramolekularna, której podstawą jest spontaniczna samoorganizacja molekuł. Dziś można się dziwić, że tak prosta idea pojawiła się w chemii tak późno.

Tegoroczni nobliści — nagroda for the design and synthesis of molecular machines — poszli o kilka kroków dalej. Skoro molekuły mogą do siebie pasować jak klocki Lego, co więcej, te klocki mogą się same składać w to, co chcemy (po starannie zaplanowanej ich syntezie), to trzeba spróbować stworzyć kompleksy molekularne, które wykonują jakąś funkcję. Najpierw, zapewne aby pokazać potęgę nowej idei, Francuz Jean-Pierre Sauvage zrealizował syntezę molekuły w kształcie dwóch nanizanych na siebie pierścieni (tzw. katenany, rys. 2.), a potem poszło szybko: zsyntetyzowano olimpiadan (pięć kółek olimpijskich) i wiele innych molekuł o spektakularnych kształtach i niezwykłych właściwościach fizykochemicznych.

Rys. 2. Katenan, czyli dwa uwięzione pierścienie. Jak zmusić atomy do stworzenia takiej dziwacznej struktury — to osiągnięcie Sauvage’a

.Potem Brytyjczyk Fraser Stoddart zsyntetyzował rotaksany (rys. 3.): na molekularny patyczek nanizane było molekularne kółko, które z patyczka nie mogło wypaść z powodu molekularnych ograniczników. Kółeczko jeździło po patyczku, ale miało na nim dwie „stacje” (umownie 0 i 1), przy czym pozycja kółeczka mogła być przełączana między stacjami światłem lub przez przyłączenie elektronu. Toż to jest prototyp pamięci molekularnej!

Następnie Holender Bernard Feringa stworzył rzecz chyba najbardziej niezwykłą w całej historii chemii. Jest w fizyce i chemii oczywiste, że molekuły poruszają się cały czas, ich cieplny ruch w roztworze jest jednak chaotyczny — molekuły są poszturchiwane w sposób przypadkowy. Tymczasem Feringa syntetyzował molekułę, która miała rotujący fragment, i to rotujący w roztworze tylko w jednym kierunku — tak jak śruba okrętowa.

Rys. 3. Rotaksan, czyli molekularny pierścień nanizany na molekularny patyczek (ze stoperami na końcach; niebieskie) — osiągnięcie Frasera Stoddarta. Na patyczku są dwie stabilne pozycje pierścienia, czyli stacje 0 i 1, na których pierścień może się zatrzymywać. Pozycje pierścienia mogą być zmieniane przez oświetlenie, dostarczenie elektronu czy podgrzanie

.Z tego powodu ta molekuła zachowywała się jak motorówka — pruła w rozpuszczalniku z wielką szybkością, rozgarniając inne molekuły! W dotychczasowej chemii nic nie wyglądało w ten sposób! To już jest wkład chemii nierównowagowej, stawiającej w zasadzie dopiero pierwsze kroki.

Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie chemii nie zdziwiła mnie. Kilkanaście lat temu gazety pytały regularnie o moich faworytów — wymieniałem przez kilka lat Frasera Stoddarta (miałem też porażki: proponowałem z fizyki Antona Zeilingera za teleportację, ale to ostatnie, jak dotąd, się nie sprawdziło). Kilka lat temu na Zjeździe Polskiego Towarzystwa Chemicznego po wysłuchaniu referatu Feringi powiedziałem podobnie.

.To są osiągnięcia wspaniałe, choć mają w sobie coś z zabawek dziecięcych. Bawimy się naszą maestrią syntetyczną, aby stworzyć molekuły w kształcie koszyczka, sześcianu, kółek olimpijskich, piłki futbolowej itp. To jednak tylko początek drogi. Rozpoznanie molekularne pozwoli na budowę maszyn nierównie bardziej złożonych, może mniej spektakularnych dla przypadkowego widza, ale robiących cuda chemiczne, o jakich nam się jeszcze nie śni. Feringa spoważniał, gdy mu w Siedlcach wspomniałem o przetwarzaniu informacji chemicznej jako o głównej misji chemii przyszłości — to teraz jeszcze terra incognita. Pulsujące życie na naszej Ziemi jest wskazówką, iż dopiero te trzy rzeczy: składane jak Lego struktury, dynamika nierównowagowa i informacja skierują chemików do nowych światów, których teraz zaledwie dotykamy naszą wyobraźnią.

Lucjan Piela