SEMUA FOTO

Hadiah Nobel Kimia tahun 2016 dianugerahkan kepada tiga ilmuwan atas desain dan sintesis mesin molekuler. Penghargaan tersebut diterima oleh peneliti asal Belanda, Bernard Feringa, warga Inggris yang bekerja di Amerika Serikat, James Fraser Stoddart, dan warga Prancis, Jean-Pierre Sauvage, menurut siaran pers Komite Nobel.

Para ilmuwan mampu mengembangkan mesin terkecil di dunia. Para peneliti telah mampu menghubungkan molekul-molekul bersama-sama, menciptakan elevator kecil, otot buatan, dan motor mikroskopis. “Pemenang Hadiah Nobel bidang kimia tahun 2016 membuat miniatur mesin dan membawa ilmu kimia ke dimensi baru,” kata situs web komite tersebut. Siaran pers mencatat bahwa dengan berkembangnya teknologi komputasi, miniaturisasi teknologi dapat mengarah pada sebuah revolusi.

Sebuah tim ilmuwan telah mengembangkan molekul dengan gerakan terkontrol yang dapat melakukan tugas ketika energi ditambahkan. Sauvage mengambil langkah pertama dalam menciptakan mesin molekuler pada tahun 1983, membentuk rantai dua molekul berbentuk cincin yang disebut catenane. Agar sebuah mesin dapat melakukan suatu tugas, ia harus terdiri dari bagian-bagian yang dapat bergerak relatif satu sama lain. Kedua cincin yang dihubungkan oleh Sauvage memenuhi persyaratan ini dengan tepat.

Stoddart mengambil langkah kedua pada tahun 1991, mensintesis rotaxane, suatu senyawa yang cincinnya dilekatkan pada molekul berbentuk halter. Di antara perkembangannya adalah elevator molekuler, otot molekuler, dan chip komputer yang dibuat berdasarkan molekul.

Terakhir, Feringa mendemonstrasikan pengoperasian motor molekuler pada tahun 1999.

Diharapkan di masa depan mesin molekuler akan digunakan untuk membuat material, sensor, dan sistem penyimpanan energi baru.

Stoddart lahir pada tahun 1942 di Edinburgh. Ilmuwan ini berspesialisasi dalam bidang kimia supramolekul dan nanoteknologi dan bekerja di Universitas Northwestern di negara bagian Illinois, AS. Sauvage lahir di Paris pada tahun 1944, ia terlibat dalam kegiatan ilmiah di Universitas Strasbourg, spesialisasinya adalah koneksi koordinasi. Feringa, lahir pada tahun 1951 di Barger-Compaskum di Belanda, adalah profesor kimia organik di Universitas Belanda Groningen.

Hadiah Nobel bernilai 8 juta kronor Swedia. Penghargaan Kimia telah diberikan sejak tahun 1901 (kecuali tahun 1916, 1917, 1919, 1924, 1933, 1940, 1941 dan 1942). Tahun ini penghargaan tersebut diberikan untuk ke-108 kalinya.

Pada tahun 2015, Hadiah Nobel Kimia dianugerahkan kepada Thomas Lindahl dari Swedia, warga negara AS Paul Modric, dan Aziz Sancar yang keturunan Turki-Amerika atas penelitian mereka tentang mekanisme perbaikan DNA. Hasil kerja para ilmuwan telah memberikan pengetahuan mendasar kepada dunia tentang fungsi sel hidup dan, khususnya, penggunaannya dalam metode baru melawan kanker, Komite Nobel melaporkan. Diperkirakan sekitar 80-90% dari seluruh kanker disebabkan oleh kurangnya perbaikan DNA.

Sesuai aturan, Hadiah Nobel Fisika dan Kimia hanya dapat diberikan kepada penulis makalah yang diterbitkan di media yang ditinjau oleh rekan sejawat. Selain itu, penemuan tersebut harus benar-benar signifikan dan diakui secara universal oleh komunitas ilmiah dunia, itulah sebabnya para eksperimentalis lebih sering menerima penghargaan daripada para ahli teori.

Sehari sebelumnya, Hadiah Nobel Fisika dianugerahkan di Stockholm. Tiga ilmuwan Inggris yang bekerja di Amerika menerima penghargaan tersebut. Duncan Haldane dari Inggris dan David Thouless serta Michael Kosterlitz dari Skotlandia-Amerika menerima penghargaan untuk “penemuan teoretis transisi fase topologi dan fase topologi materi.” Para ilmuwan telah mengeksplorasi keadaan materi yang tidak biasa. Kita berbicara tentang superkonduktor, superfluida, dan film magnetik tipis.

Hadiah Nobel Fisiologi atau Kedokteran 2016 dianugerahkan kepada ilmuwan Jepang berusia 71 tahun Yoshinori Ohsumi pada 3 Oktober. Dia dianugerahi atas penemuannya di bidang autophagy (dari bahasa Yunani "self-eating") - sebuah proses di mana komponen internal sel dikirim ke lisosomnya (pada mamalia) atau vakuola (dalam sel ragi) dan mengalami degradasi di sana.

Upacara tahunan pengumuman para pemenang berlangsung di Stockholm Hadiah Nobel Kimia.

Pada tanggal 5 Oktober 2016, diumumkan nama-nama pemenang Hadiah Nobel Kimia tahun 2016. Mereka menjadi orang Prancis Jean-Pierre Souvage(Jean-Pierre Sauvage), Amerika keturunan Skotlandia James Fraser Stoddart(Fraser Stoddart) dan orang Belanda Bernard Feringa(Bernard Feringa).

Kata-kata hadiah: “ Untuk desain dan sintesis mesin molekuler«.

Mesin molekuler adalah perangkat yang memanipulasi atom dan molekul tunggal. Mereka dapat memindahkannya dari satu tempat ke tempat lain, mendekatkannya sehingga terbentuk ikatan kimia di antara mereka, atau memisahkannya sehingga ikatan kimia tersebut putus. Ukuran mesin molekuler tidak boleh terlalu besar. Biasanya berukuran beberapa nanometer.

Di antara yang menjanjikan bidang penerapan Mesin semacam itu digunakan untuk bedah molekuler, pemberian obat yang ditargetkan (misalnya, jauh ke dalam tumor kanker, di mana obat konvensional hampir tidak dapat menembus), koreksi fungsi biokimia tubuh yang terganggu.

Sebagaimana dinyatakan dalam siaran pers dari Royal Swedish Academy of Sciences, langkah pertama menuju mesin molekuler, Prof. Jean-Pierre Sauvage lakukan pada tahun 1983 ketika ia berhasil menghubungkan dua molekul berbentuk cincin untuk membentuk rantai yang dikenal sebagai catenane. Molekul-molekul biasanya disatukan oleh ikatan kovalen yang kuat dimana atom-atom berbagi elektron, namun dalam rantai ini molekul-molekul tersebut disatukan melalui ikatan mekanis yang lebih longgar. Agar suatu mesin dapat melakukan suatu tugas, ia harus terdiri dari bagian-bagian yang dapat bergerak relatif satu sama lain. Dua cincin yang terhubung sepenuhnya memenuhi persyaratan ini.

Langkah kedua diambil Fraser Stoddart pada tahun 1991 ketika ia mengembangkan rotaxane (sejenis struktur molekul). Dia memasukkan cincin molekul ke dalam sumbu molekul tipis dan menunjukkan bahwa cincin ini dapat bergerak sepanjang sumbu. Rotaxanes adalah dasar untuk pengembangan seperti elevator molekuler, otot molekuler, dan chip komputer berbasis molekul.

A Bernard Feringa adalah orang pertama yang mengembangkan motor molekuler. Pada tahun 1999, ia memperoleh bilah rotor molekuler yang terus berputar ke satu arah. Dengan menggunakan motor molekuler, ia memutar silinder kaca yang 10 ribu kali lebih besar dari motor, dan ilmuwan tersebut juga mengembangkan mobil nano.

Para pemenang tahun 2016 akan berbagi secara merata bagian uang tunai dari hadiah tersebut sebesar 8 juta kronor Swedia (sekitar $933,6 ribu).

Hadiah Nobel Kimia Pertama diterima pada tahun 1901 Jacob Hendrik van't Hoff sebagai pengakuan atas pentingnya penemuan hukum dinamika kimia dan tekanan osmotik dalam larutan. Sejak saat itu hingga tahun 2015, sebanyak 172 orang menjadi pemenangnya, 4 di antaranya adalah perempuan.
Paling sering, Hadiah Nobel Kimia diberikan untuk pekerjaan di lapangan biokimia(50 kali), kimia organik(43 kali) dan kimia fisik(38 kali).
Hadiah Nobel Kimia 2015 menerima orang Swedia Thomas Lindahl, Paul Modrich dari Amerika dan Aziz Sancar dari Turki “untuk studi mekanistik perbaikan DNA,” yang menunjukkan pada tingkat molekuler bagaimana sel memperbaiki DNA yang rusak dan melestarikan informasi genetik.

Pemenang Hadiah Nobel Kimia 2016 diumumkan hari ini. “Untuk desain dan sintesis mesin molekuler” tiga ahli kimia akan menerima total 58 juta rubel - Jean-Pierre Sauvage (Prancis), Sir Fraser Stoddart (AS) dan Bernard Feringa (Belanda). Kehidupan berbicara tentang apa itu mesin molekuler dan mengapa ciptaannya layak mendapatkan penghargaan ilmiah yang bergengsi.

Apa yang dimaksud dengan mesin dalam pengertian paling umum dari istilah ini? Ini adalah perangkat yang dirancang untuk operasi tertentu, yang mampu melakukannya “dengan imbalan” bahan bakar. Mesin tersebut dapat memutar, menaikkan atau menurunkan benda apa pun, dan bahkan dapat berfungsi sebagai pompa.

Tapi seberapa kecil mesin seperti itu? Misalnya, beberapa bagian mekanisme jam tangan terlihat sangat kecil - mungkinkah ada bagian yang lebih kecil? Iya tentu saja. Metode fisika memungkinkan pemotongan roda gigi dengan diameter beberapa ratus atom. Ini ratusan ribu kali lebih kecil dari satu milimeter yang diketahui oleh penguasa sekolah. Pada tahun 1984, peraih Nobel Richard Feynman bertanya kepada fisikawan seberapa kecil mekanisme yang memiliki bagian-bagian yang bergerak.

Feynman terinspirasi oleh contoh dari alam: flagela bakteri, yang memungkinkan organisme kecil ini bergerak, berputar berkat kompleks yang terdiri dari beberapa molekul protein. Tapi bisakah seseorang menciptakan sesuatu seperti itu?

Mesin molekuler, mungkin hanya terdiri dari satu molekul, tampak seperti sesuatu yang keluar dari fiksi ilmiah. Faktanya, kita baru saja belajar memanipulasi atom (eksperimen IBM yang terkenal terjadi pada tahun 1989) dan bekerja dengan molekul tunggal yang tidak bergerak. Untuk melakukan ini, fisikawan membuat instalasi besar dan menghabiskan upaya luar biasa. Namun demikian, ahli kimia telah menemukan cara untuk membuat triliunan perangkat tersebut sekaligus. Dialah yang menjadi subjek Hadiah Nobel 2016.

Masalah utama dalam menciptakan mesin yang terdiri dari satu molekul adalah ikatan kimia. Ini adalah apa yang mengikat semua atom suatu molekul menjadi satu sehingga mencegahnya memiliki bagian yang bergerak. Untuk mengatasi kontradiksi ini, ahli kimia “menemukan” jenis ikatan baru - mekanis.

Seperti apa bentuk molekul yang terikat secara mekanis? Bayangkan sebuah molekul besar, atom-atomnya tersusun dalam sebuah cincin. Jika kita melewatkan rantai atom lain melaluinya dan juga menutupnya menjadi sebuah cincin, kita akan mendapatkan partikel yang tidak dapat dibagi menjadi dua cincin tanpa memutus ikatan kimianya. Ternyata dari sudut pandang kimia, cincin-cincin ini terhubung, tetapi tidak ada hubungan kimia yang nyata di antara keduanya. Omong-omong, konstruksi ini disebut catenan, dari bahasa Latin deretan- rantai. Nama tersebut mencerminkan fakta bahwa molekul-molekul tersebut seperti mata rantai yang terhubung satu sama lain.

Pemenang dari Perancis, Jean-Pierre Sauvage, menerima penghargaan tersebut sebagian besar atas karya terobosannya pada metode sintesis catenanes. Pada tahun 1983, seorang ilmuwan menemukan bagaimana molekul tersebut dapat diproduksi dengan sengaja. Dia bukan orang pertama yang mensintesis catenane, namun metode sintesis template yang dia usulkan masih digunakan dalam karya modern.

Ada golongan senyawa mekanis lain yang disebut rotaxanes. Molekul-molekul senyawa tersebut terdiri dari sebuah cincin yang melaluinya rantai atom dijalin. Di ujung rantai ini, ahli kimia memasang “sumbat” khusus yang mencegah cincin terlepas dari rantai. Mereka ditangani oleh peraih Nobel lainnya tahun ini, Sir James Fraser Stoddart. Ngomong-ngomong, Stoddart kelahiran Skotlandia menyandang gelar Knight Bachelor. Ia dianugerahi gelar kebangsawanan oleh Ratu Elizabeth II sendiri atas karyanya tentang sintesis organik. Namun, Stoddart sekarang bekerja di AS, di Universitas Northwestern.

Dalam golongan senyawa ini, masing-masing fragmen dapat bergerak bebas relatif satu sama lain. Cincin catenane dapat berputar bebas relatif satu sama lain, dan cincin rotaxane dapat meluncur sepanjang rantai. Hal ini menjadikan mereka kandidat yang baik untuk mesin molekuler yang membuat Feynman tertarik. Namun, agar struktur ini dapat disebut demikian, satu hal lagi perlu dicapai darinya - kemampuan pengendalian.

Khusus untuk ini, ahli kimia menggunakan ide dasar elektrostatika: jika Anda membuat salah satu cincin bermuatan, dan pada cincin (atau rantai) kedua ditempatkan pecahan yang dapat mengubah muatannya di bawah pengaruh pengaruh eksternal, maka Anda dapat membuat cincin tersebut. tolak dari satu area cincin (atau rantai) dan pindah ke area lain. Dalam percobaan pertama, para ilmuwan belajar memaksa mesin molekuler untuk melakukan operasi tersebut menggunakan pengaruh kimia. Langkah selanjutnya adalah penggunaan cahaya, impuls listrik, dan bahkan panas untuk tujuan yang sama - metode pemindahan "bahan bakar" ini memungkinkan untuk mempercepat pengoperasian mesin.

Karya pemenang ketiga, Bernard Feringa, patut mendapat perhatian khusus. Ahli kimia Belanda berhasil melakukannya tanpa molekul yang terikat secara mekanis. Sebaliknya, ilmuwan menemukan cara untuk membuat molekul senyawa yang mengandung ikatan kimia tradisional berputar. Pada tahun 1999, Feringa mendemonstrasikan sebuah molekul yang tampak seperti dua bilah yang terhubung satu sama lain. Masing-masing bilah ini mencoba untuk saling mendorong, dan bentuknya yang asimetris membuatnya menguntungkan untuk diputar hanya dalam satu arah, seolah-olah ada ratchet pada “poros” di antara bilah-bilah ini.

Untuk membuat molekul bekerja seperti rotor, cukup dengan menyinari molekul tersebut dengan sinar ultraviolet. Bilahnya mulai berputar relatif satu sama lain dalam arah yang ditentukan secara ketat. Belakangan, ahli kimia bahkan menempelkan molekul rotor tersebut ke partikel yang sangat besar (dibandingkan dengan rotor itu sendiri) dan membuatnya berputar. Omong-omong, kecepatan putaran rotor bebas bisa mencapai puluhan juta putaran per detik.

Dengan tiga molekul sederhana ini, ahli kimia mampu menciptakan berbagai macam mesin molekuler. Salah satu contoh yang paling indah adalah "otot" molekuler, yang merupakan hibrida aneh dari catenane dan rotaxane. Saat terkena bahan kimia (penambahan garam tembaga), “otot” berkontraksi sebesar dua nanometer.

Varian lain dari mesin molekuler adalah “elevator” atau lift. Itu diperkenalkan pada tahun 2004 oleh kelompok Stoddart berdasarkan rotaxanes. Perangkat ini memungkinkan bantalan molekul dinaikkan dan diturunkan sebesar 0,7 nanometer, menghasilkan gaya “terlihat” sebesar 10 pikopascal.

Pada tahun 2011, Feringa menunjukkan konsep "mesin" molekuler empat rotor yang mampu bergerak di bawah pengaruh impuls listrik. “Mesin nano” tidak hanya dibuat, tetapi fungsinya juga dikonfirmasi: setiap putaran rotor sebenarnya sedikit mengubah posisi molekul di ruang angkasa.

Meski perangkat ini terlihat menarik, namun perlu diingat bahwa salah satu syarat pemenang Nobel adalah pentingnya penemuan bagi sains dan kemanusiaan. Sebagian karena pertanyaan “mengapa hal ini diperlukan?” jawab Bernard Feringa saat diberitahu tentang penghargaan tersebut. Menurut ahli kimia tersebut, dengan memiliki mesin molekuler yang terkontrol, dimungkinkan untuk membuat robot nano medis. “Bayangkan robot kecil yang dapat dimasukkan oleh dokter masa depan ke dalam pembuluh darah Anda dan mengarahkan mereka untuk mencari sel kanker.” Ilmuwan tersebut mencatat bahwa dia merasakan hal yang sama yang mungkin dirasakan Wright bersaudara setelah penerbangan pertama mereka, ketika orang bertanya kepada mereka mengapa mobil terbang mungkin diperlukan.

Pemenang Hadiah Nobel Kimia 2016 adalah Jean-Pierre Sauvage dari Universitas Strasbourg (Prancis), Fraser Stoddart dari Universitas Northwestern (AS) dan Bernard Feringa dari Universitas Groningen (Belanda). Hadiah bergengsi ini diberikan “untuk desain dan sintesis mesin molekuler” - molekul individu atau kompleks molekul yang dapat melakukan gerakan tertentu bila disuplai dengan energi dari luar. Pengembangan lebih lanjut di bidang ini menjanjikan terobosan di banyak bidang ilmu pengetahuan dan kedokteran.

Komite Nobel secara teratur memberikan penghargaan terhadap karya-karya yang, selain nilai ilmiah, juga memiliki semangat tambahan. Misalnya, dalam penemuan graphene oleh Geim dan Novoselov (lihat Hadiah Nobel Fisika - 2010, “Elemen”, 11/10/2010), selain penemuan itu sendiri dan penggunaannya untuk mengamati efek Hall kuantum pada suhu kamar , ada detail teknis yang luar biasa: mengupas lapisan grafit dengan selotip sederhana. Shekhtman, yang menemukan quasicrystals, memiliki sejarah konfrontasi ilmiah dengan peraih Nobel terkemuka lainnya - Pauling, yang menyatakan bahwa "tidak ada quasicrystals, tetapi ada quasi-scientists."

Di bidang mesin molekuler, sekilas tidak ada sorotan seperti itu, kecuali fakta bahwa salah satu pemenangnya, Stoddart, memiliki gelar ksatria (dia bukan yang pertama). Namun nyatanya masih ada fitur penting. Sintesis mesin molekuler hampir merupakan satu-satunya bidang dalam kimia organik akademis yang dapat disebut sebagai rekayasa murni pada tingkat molekuler, di mana orang merancang sebuah molekul dari awal dan tidak berhenti sampai mereka mendapatkannya. Di alam, molekul seperti itu, tentu saja, ada (begitulah struktur beberapa protein sel organik - miosin, kinesin - atau, misalnya, ribosom), tetapi manusia masih jauh dari mencapai tingkat kerumitan seperti itu. Oleh karena itu, untuk saat ini, mesin molekuler merupakan buah pikiran manusia dari awal hingga akhir, tanpa upaya meniru alam atau menjelaskan fenomena alam yang diamati.

Jadi, kita berbicara tentang molekul yang satu bagiannya mampu bergerak relatif terhadap bagian lain secara terkendali - biasanya menggunakan pengaruh eksternal dan panas untuk bergerak. Untuk membuat molekul seperti itu, Sauvage, Stoddard, dan Feringa mengemukakan prinsip berbeda.

Sauvage dan Stoddard membuat molekul yang terhubung secara mekanis: catenane - dua atau lebih cincin molekul terkait yang berputar relatif satu sama lain (Gbr. 1), dan rotaxanes - molekul komposit dari dua bagian, di mana satu bagian (cincin) dapat bergerak sepanjang yang lain (lurus dasar ), memiliki kelompok volumetrik (penghenti) di sepanjang tepinya sehingga cincin “tidak terbang” (Gbr. 2).

Dengan menggunakan konsep di atas, "lift molekul", "otot molekul", berbagai struktur topologi molekuler yang memiliki kepentingan teoritis, dan bahkan ribosom buatan yang mampu mensintesis protein pendek dengan sangat lambat telah dibuat.

Pendekatan Feringhi pada dasarnya berbeda dan sangat elegan (Gbr. 3). Dalam motor molekuler Feringhi, bagian-bagian molekul yang berputar relatif satu sama lain dihubungkan tidak secara mekanis, tetapi melalui ikatan kovalen nyata - ikatan rangkap karbon-karbon. Rotasi gugus di sekitar ikatan rangkap tidak mungkin terjadi tanpa pengaruh eksternal. Efek seperti itu dapat berupa penyinaran dengan sinar ultraviolet: secara kiasan, sinar ultraviolet secara selektif memecah satu ikatan menjadi ikatan ganda, memungkinkan rotasi selama sepersekian detik. Di semua posisi, molekul Feringhi mengalami ketegangan struktural dan ikatan rangkap memanjang. Saat berputar, molekul mengikuti hambatan paling kecil, mencoba mencari posisi dengan tegangan paling kecil. Dia gagal melakukan hal ini, tetapi pada setiap tahap dia berputar hampir secara eksklusif pada satu arah.

Motor serupa dengan sedikit modifikasi, seperti yang ditunjukkan pada tahun 2014, mampu menghasilkan sekitar 12 juta putaran per detik (J. Vachon dkk., 2014. Motor molekul fotoaktif terikat permukaan ultracepat). Penggunaan motor Feringhi yang paling indah ditunjukkan dalam “mesin nano” pada substrat emas (Gbr. 4). Empat motor, yang dipasang seperti roda pada molekul panjang, berputar ke satu arah, dan “mobil” bergerak maju.

Saat ini, pengembangan sedang dilakukan pada motor molekuler yang dapat diaktifkan oleh cahaya tampak, bukan UV. Dengan bantuan motor seperti itu, dimungkinkan untuk mengubah energi matahari menjadi energi mekanik dengan cara yang belum pernah terjadi sebelumnya - melewati listrik.

Dalam karya terbarunya, yang diterbitkan dalam Journal of American Chemical Society ( JACS), Feringa menunjukkan desain motor yang kecepatan putarannya dapat dikontrol oleh aksi kimia, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5. Ketika molekul efektor (logam diklorida - seng Zn, paladium Pd atau platinum Pt) ditambahkan ke motor molekul, motor molekuler mengubah konformasi, yang memfasilitasi rotasi. Pengukuran menunjukkan bahwa pada suhu 20°C, dari tiga efektor yang diuji, motor berputar paling cepat dengan platina (dengan frekuensi 0,13 Hz), sedikit lebih lambat dengan paladium (0,035 Hz) dan bahkan lebih lambat dengan seng (0,009 Hz). Kecepatan motor maksimum tanpa efektor adalah 0,0041 Hz. Fenomena yang diamati dikonfirmasi oleh perhitungan mekanika kuantum struktur motorik dengan dan tanpa efektor. Perhitungan menunjukkan bagaimana konformasi berubah dan seberapa mudah rotasinya.

Sebagai kesimpulan, dapat dikatakan bahwa motor molekuler belum diterapkan dalam kehidupan sehari-hari, tetapi hampir pasti ini hanya masalah waktu dan dalam waktu dekat kita akan melihat penggunaan aktifnya.

Sumber:
1) Hadiah Nobel Kimia 2016 - pesan resmi Komite Nobel.
2) Mesin Molekuler - gambaran rinci tentang karya para pemenang, yang disiapkan oleh Komite Nobel.
3) Adele Faulkner, Thomas van Leeuwen, Ben L. Feringa, dan Sander J. Wezenberg. Regulasi Alosterik Kecepatan Rotasi pada Motor Molekuler Berpenggerak Cahaya // Jurnal Persatuan Kimia Amerika. 26 September 2016.V.138 (41). Hal.13597–13603. DOI: 10.1021/jacs.6b06467.

Grigory Molev