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O Prêmio Nobel de Química de 2016 foi concedido a três cientistas por projetar e sintetizar máquinas moleculares. O prêmio foi entregue a um pesquisador da Holanda, Bernard Feringa, ao britânico que trabalha nos Estados Unidos, James Fraser Stoddart, e ao francês, Jean-Pierre Sauvage, segundo nota do Comitê do Nobel.

Os cientistas conseguiram desenvolver as menores máquinas do mundo. Os pesquisadores conseguiram unir as moléculas criando um minúsculo elevador, músculos artificiais e motores microscópicos. “Os laureados com o Prêmio Nobel de Química de 2016 miniaturizaram máquinas e levaram a química a uma nova dimensão”, diz o site do comitê. O comunicado de imprensa observa que, com o desenvolvimento da tecnologia de computação, a miniaturização da tecnologia pode levar a uma revolução.

Uma equipe de cientistas desenvolveu moléculas controladas por movimento que podem realizar tarefas quando a energia é adicionada. O primeiro passo para a criação de máquinas moleculares foi dado por Sauvage em 1983, formando uma cadeia de duas moléculas em forma de anel, chamadas de catenano. Para que uma máquina conclua uma tarefa, ela deve ser composta de partes que possam se mover umas em relação às outras. Foi justamente essa exigência que os dois anéis ligados por Sauvage atenderam.

O segundo passo foi dado por Stoddart em 1991, ao sintetizar o rotaxano, um composto no qual um anel é colocado sobre uma molécula em forma de haltere. Entre seus desenvolvimentos estão um elevador molecular, um músculo molecular e um chip de computador criado com base em moléculas.

Finalmente, Feringa em 1999 demonstrou o funcionamento de motores moleculares.

Supõe-se que no futuro as máquinas moleculares serão utilizadas na criação de novos materiais, sensores e sistemas de armazenamento de energia.

Stoddart nasceu em 1942 em Edimburgo. O cientista, especializado na área de química supramolecular e nanotecnologia, trabalha na Northwestern University, no estado americano de Illinois. Sauvage nasceu em Paris em 1944, exerce atividades científicas na Universidade de Estrasburgo, sua especialidade são compostos de coordenação. Feringa, nascido em 1951 em Barger-Compaskum na Holanda, é professor de química orgânica na Universidade Holandesa de Groningen.

O Prêmio Nobel é de 8 milhões de coroas suecas. O prêmio em química é concedido desde 1901 (exceto 1916, 1917, 1919, 1924, 1933, 1940, 1941 e 1942). Este ano, o prêmio foi entregue pela 108ª vez.

Em 2015, o Prêmio Nobel de Química foi concedido ao sueco Thomas Lindahl, ao cidadão americano Paul Modric e ao turco-americano Aziz Sankar por suas pesquisas sobre os mecanismos de reparo do DNA. O trabalho dos cientistas deu ao mundo conhecimento fundamental sobre as funções das células vivas e, em particular, sobre seu uso em novos métodos de combate ao câncer, informou o Comitê do Nobel. Estima-se que cerca de 80-90% de todos os cânceres estejam associados à falta de reparo do DNA.

De acordo com as regras, o Prêmio Nobel de Física e Química só pode ser concedido a autores de artigos publicados em uma imprensa revisada por pares. Além disso, a descoberta deve ser verdadeiramente significativa e universalmente reconhecida pela comunidade científica mundial, de modo que os experimentadores recebem o prêmio com mais frequência do que os teóricos.

Na véspera do Prêmio Nobel de Física foi concedido em Estocolmo. Os prêmios foram entregues a três cientistas britânicos que trabalham nos Estados Unidos. O britânico Duncan Haldane e os escoceses-americanos David Thouless e Michael Kosterlitz receberam o prêmio por "descobertas teóricas de transições de fase topológicas e fases topológicas da matéria". Os cientistas exploraram estados incomuns da matéria. Estamos falando de supercondutores, superfluidos e filmes magnéticos finos.

O Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 2016 foi concedido em 3 de outubro ao cientista japonês Yoshinori Ohsumi, de 71 anos. Ele foi premiado por suas descobertas no campo da autofagia (do grego "autocomer") - um processo no qual os componentes internos de uma célula são entregues dentro de seus lisossomos (em mamíferos) ou vacúolos (células de fermento) e são degradados neles.

A cerimônia anual de anúncio dos laureados ocorreu em Estocolmo Prêmio Nobel de Química.

Em 5 de outubro de 2016, foram anunciados os nomes dos ganhadores do Prêmio Nobel de Química de 2016. eles eram franceses Jean Pierre Sauvage(Jean-Pierre Sauvage), escocês-americano James Fraser Stoddart(Fraser Stoddart) e um holandês Bernardo Feringa(Bernard Feringa).

Texto do prêmio: Para o projeto e síntese de máquinas moleculares«.

Máquinas moleculares são dispositivos que manipulam átomos e moléculas individuais. Eles podem carregá-los de um lugar para outro, aproximá-los para formar uma ligação química entre eles ou separá-los para que a ligação química se rompa. O tamanho de uma máquina molecular não pode ser muito grande. Geralmente é da ordem de vários nanômetros.

Entre promissores areas de aplicação tais máquinas são cirurgia molecular, administração direcionada de medicamentos (por exemplo, profundamente em um tumor cancerígeno, onde os medicamentos convencionais dificilmente penetram), correção de funções bioquímicas perturbadas do corpo.

Conforme declarado em um comunicado de imprensa da Real Academia Sueca de Ciências, o primeiro passo para uma máquina molecular, o professor Jean-Pierre Sauvage fez em 1983, quando ligou com sucesso duas moléculas em forma de anel para formar uma cadeia conhecida como catenano. Normalmente, as moléculas são conectadas por ligações covalentes fortes, nas quais os átomos compartilham elétrons, mas nessa cadeia eles são conectados por uma ligação mecânica mais fraca. Para que uma máquina execute uma tarefa, ela deve ser composta de partes que possam se mover umas em relação às outras. Dois anéis conectados atendem totalmente a esse requisito.

O segundo passo foi dado Fraser Stoddart em 1991, quando desenvolveu o rotaxano (uma espécie de estrutura molecular). Ele enfiou um anel molecular em um eixo molecular fino e mostrou que esse anel pode se mover ao longo do eixo. Desenvolvimentos como o elevador molecular, o músculo molecular e o chip de computador baseado em moléculas são baseados em rotaxanos.

A Bernardo Feringa foi a primeira pessoa a desenvolver um motor molecular. Em 1999, ele recebeu uma lâmina de rotor molecular que gira constantemente em uma direção. Usando motores moleculares, ele girou um cilindro de vidro 10.000 vezes maior que o motor, e o cientista também desenvolveu um nanocarro.

Os laureados de 2016 dividirão igualmente a parte monetária do prêmio no valor de 8 milhões de coroas suecas (aproximadamente US$ 933,6 mil).

Primeiro Prêmio Nobel de Química em 1901 recebeu Jacob Hendrik van't Hoff em reconhecimento à grande importância da descoberta das leis da dinâmica química e pressão osmótica em soluções. Desde então e até 2015, 172 pessoas foram laureadas, das quais 4 são mulheres.
Na maioria das vezes, o Prêmio Nobel de Química foi concedido por trabalhos na área de bioquímica(50 vezes) química orgânica(43 vezes) e química Física(38 vezes).
Prêmio Nobel de Química 2015 ficou sueco Thomas Lindahl, o americano Paul Modric e o turco Aziz Sancar "pelos estudos mecanísticos do reparo do DNA", mostrando no nível molecular como as células reparam o DNA danificado e retêm a informação genética.

Os vencedores do Prêmio Nobel de Química 2016 foram anunciados hoje. "Pelo projeto e síntese de máquinas moleculares" três químicos receberão um total de 58 milhões de rublos - Jean-Pierre Sauvage (França), Sir Fraser Stoddart (EUA) e Bernard Feringa (Holanda). A vida fala sobre o que são as máquinas moleculares e por que sua criação merece um prêmio científico tão prestigioso.

O que é uma máquina no sentido mais geral do termo? Trata-se de um dispositivo, afiado para determinadas operações, capaz de realizá-las "em troca" de combustível. A máquina pode girar, levantar ou abaixar qualquer objeto, pode até funcionar como uma bomba.

Mas quão pequena tal máquina pode ser? Por exemplo, algumas partes dos mecanismos do relógio parecem muito pequenas - alguma coisa poderia ser menor? Sim definitivamente. Os métodos físicos permitem cortar uma engrenagem com um diâmetro de algumas centenas de átomos. Isso é centenas de milhares de vezes menor que um milímetro familiar da régua da escola. Em 1984, o Prêmio Nobel Richard Feynman perguntou aos físicos quão pequeno poderia ser um mecanismo com partes móveis.

Feynman se inspirou em exemplos da natureza: os flagelos das bactérias, que permitem que esses minúsculos organismos se movam, giram graças a um complexo formado por várias moléculas de proteínas. Mas uma pessoa pode criar algo assim?

Máquinas moleculares, talvez consistindo em apenas uma molécula, parecem algo saído da ficção científica. De fato, só recentemente aprendemos a manipular átomos (o famoso experimento da IBM aconteceu em 1989) e a trabalhar com moléculas simples e imóveis. Para fazer isso, os físicos criam enormes instalações e gastam um esforço incrível. No entanto, os químicos encontraram uma maneira de criar imediatamente quintilhões de tais dispositivos. Foi ele quem se tornou o tema do Prêmio Nobel em 2016.

O principal problema na criação de uma máquina composta por uma única molécula é a ligação química. É o que une todos os átomos de uma molécula que a impede de ter partes móveis. Para resolver essa contradição, os químicos "inventaram" um novo tipo de ligação - a mecânica.

Como são as moléculas ligadas mecanicamente? Imagine uma grande molécula, cujos átomos estão dispostos em um anel. Se passarmos outra cadeia de átomos por ela e também a fecharmos em um anel, obteremos uma partícula que não pode ser dividida em dois anéis sem quebrar as ligações químicas. Acontece que, do ponto de vista da química, esses anéis estão conectados, mas não há ligação química real entre eles. A propósito, esse design foi chamado de catenano, do latim catena- corrente. O nome reflete o fato de que tais moléculas são como elos de cadeia conectados uns aos outros.

O laureado da França, Jean-Pierre Sauvage, recebeu o prêmio em grande parte por seu trabalho inovador em métodos para a síntese de catenanos. Em 1983, o cientista descobriu como obter essas moléculas propositalmente. Ele não foi o primeiro a sintetizar o catenano, mas o método de síntese do modelo proposto por ele também é usado em obras modernas.

Existe outra classe de compostos mecanicamente ligados chamados rotaxanos. As moléculas de tais compostos consistem em um anel através do qual uma cadeia de átomos é enfiada. Nas pontas dessa corrente, os químicos colocam "tampões" especiais que impedem que o anel escorregue da corrente. Eles foram manipulados por outro Prêmio Nobel deste ano, Sir James Fraser Stoddart. A propósito, o escocês nascido Stoddart é o detentor do título de cavaleiro solteiro. Ele foi condecorado pela própria Rainha Elizabeth II por seu trabalho em síntese orgânica. No entanto, agora Stoddart trabalha nos EUA, na Northwestern University.

Nessas classes de compostos, fragmentos individuais podem se mover livremente uns em relação aos outros. Os anéis de catenas podem girar livremente um em relação ao outro, e o anel no rotaxano é capaz de deslizar ao longo da corrente. Isso os torna bons candidatos para as máquinas moleculares nas quais Feynman estava interessado. No entanto, para que essas estruturas sejam chamadas assim, mais uma coisa deve ser obtida delas - controlabilidade.

Especialmente para isso, os químicos usaram as idéias básicas da eletrostática: se você fizer um dos anéis carregado e colocar fragmentos no segundo anel (ou corrente) que podem mudar sua carga sob a influência de influências externas, então você pode fazer o anel repelir de uma área do anel (ou corrente) e passar para outra. Nos primeiros experimentos, os cientistas aprenderam como fazer máquinas moleculares realizarem tais operações usando influências químicas. O próximo passo foi o uso de luz, impulsos elétricos e até apenas calor para os mesmos fins - esses métodos de transferência de "combustível" possibilitaram acelerar a operação das máquinas.

À parte, vale destacar o trabalho do terceiro laureado, Bernard Feringa. O químico holandês conseguiu prescindir de moléculas ligadas mecanicamente. Em vez disso, o cientista encontrou uma maneira de fazer girar as moléculas de um composto contendo ligações químicas tradicionais. Em 1999, Feringa demonstrou uma molécula que parecia duas lâminas conectadas uma à outra. Cada uma dessas lâminas tentava se repelir, e sua forma assimétrica tornava a rotação em apenas uma direção benéfica, como se houvesse uma catraca no "eixo" entre essas lâminas.

Para que a molécula funcionasse como um rotor, bastava incidir luz ultravioleta sobre ela. As lâminas começaram a girar uma em relação à outra em uma direção estritamente especificada. Mais tarde, os químicos fixaram essas moléculas do rotor em uma partícula enorme (em comparação com o próprio rotor) e, assim, a fizeram girar. A propósito, a velocidade de rotação de um rotor livre pode atingir dezenas de milhões de rotações por segundo.

Com essas três moléculas simples, os químicos conseguiram criar uma grande variedade de máquinas moleculares. Um dos exemplos mais belos é o "músculo" molecular, que é um estranho híbrido de catenano e rotaxano. Sob influências químicas (adição de sais de cobre), o "músculo" é reduzido em dois nanômetros.

Outra variante da máquina molecular é o "elevador" ou elevador. Foi introduzido em 2004 pelo grupo Stoddart baseado em rotaxanos. O dispositivo permite elevar e abaixar a plataforma molecular em 0,7 nanômetros, produzindo uma força "perceptível" de 10 picopascais.

Em 2011, a Feringa apresentou o conceito de uma "máquina" molecular de quatro rotores capaz de operar sob a influência de impulsos elétricos. A "Nanomachine" não apenas conseguiu ser construída, mas também conseguiu confirmar seu desempenho: cada rotação dos rotores na verdade mudava ligeiramente a posição da molécula no espaço.

Embora esses dispositivos pareçam interessantes, é preciso lembrar que uma das exigências dos laureados com o Prêmio Nobel era a importância das descobertas para a ciência e a humanidade. Em parte à pergunta "por que isso é necessário?" respondeu Bernard Feringa quando informado da recompensa. Segundo o químico, com essas máquinas moleculares controladas, torna-se possível criar nanorobôs médicos. "Imagine pequenos robôs que os médicos do futuro poderiam injetar em suas veias e enviá-los para procurar células cancerígenas." O cientista observou que ele sente o mesmo que os irmãos Wright provavelmente sentiram após o primeiro voo, quando as pessoas perguntaram a eles por que os carros voadores seriam necessários.

O Prêmio Nobel de Química de 2016 foi concedido a Jean-Pierre Sauvage, da Universidade de Estrasburgo (França), Fraser Stoddart, da Northwestern University (EUA), e Bernard Feringa, da Universidade de Groningen (Holanda). O prestigioso prêmio foi concedido "pelo projeto e síntese de máquinas moleculares" - moléculas individuais ou complexos moleculares que podem realizar certos movimentos quando a energia é fornecida de fora. Um maior desenvolvimento desta área promete avanços em muitas áreas da ciência e da medicina.

O Comitê Nobel regularmente observa trabalhos nos quais, além do valor científico, ainda há algum entusiasmo adicional. Assim, por exemplo, na descoberta do grafeno por Geim e Novoselov (ver Prêmio Nobel de Física - 2010, "Elementos", 11/10/2010), além da própria descoberta e seu uso para observar o efeito Hall quântico em temperatura ambiente, detalhes técnicos notáveis: descascar camadas de grafite com simples fita adesiva. Shechtman, que descobriu os quasicristais, tinha uma história de confronto científico com outro respeitado ganhador do Prêmio Nobel, Pauling, que afirmou que "não existem quasicristais, mas existem quasiscientistas".

No campo das máquinas moleculares, à primeira vista, não existe tal entusiasmo, se excluirmos o fato de que um dos laureados, Stoddart, é cavaleiro (ele não é o primeiro). Mas, na verdade, ainda há uma característica importante. A síntese de máquinas moleculares é quase a única área da química orgânica acadêmica que pode ser chamada de engenharia pura no nível molecular, onde as pessoas projetam uma molécula do zero e não descansam até obtê-la. Na natureza, essas moléculas, é claro, existem (é assim que algumas proteínas das células orgânicas são organizadas - miosina, cinesinas - ou, por exemplo, ribossomos), mas as pessoas ainda estão longe de tal nível de complexidade. Portanto, enquanto as máquinas moleculares são fruto da mente humana do começo ao fim, sem tentar imitar a natureza ou explicar os fenômenos naturais observados.

Portanto, estamos falando de moléculas nas quais uma parte é capaz de se mover em relação à outra de maneira controlada - via de regra, usando parcialmente influências externas e calor para se mover. Para criar tais moléculas, Sauvage, Stoddard e Feringa criaram princípios diferentes.

Sauvage e Stoddard fizeram moléculas ligadas mecanicamente: catenanos - dois ou mais anéis moleculares ligados girando um em relação ao outro (Fig. 1), e rotaxanos - moléculas compostas de duas partes, nas quais uma parte (anel) pode se mover ao longo da outra (reta base ), que possui grupos volumétricos (rolhas) nas bordas para que o anel “não saia voando” (Fig. 2).

Usando o conceito acima, foram criados um "elevador molecular", "músculos moleculares", várias estruturas topológicas moleculares de interesse teórico e até mesmo um ribossomo artificial capaz de sintetizar proteínas curtas muito lentamente.

A abordagem de Feringa foi fundamentalmente diferente e muito elegante (Fig. 3). No motor molecular Feringa, as partes da molécula que giram umas em relação às outras não são ligadas mecanicamente, mas por uma ligação covalente real - uma ligação dupla carbono-carbono. A rotação de grupos em torno de uma ligação dupla é impossível sem ação externa. Tal impacto pode ser a irradiação ultravioleta: figurativamente falando, o ultravioleta quebra seletivamente uma ligação em uma dupla, permitindo a rotação por uma fração de segundo. Ao mesmo tempo, a molécula de Feringa é estruturalmente tensa em todas as posições e a ligação dupla é alongada. A molécula, quando girada, segue a menor resistência, tentando encontrar a posição com menor tensão. Ela falha em fazer isso, mas em cada estágio ela se vira quase exclusivamente em uma direção.

Tal motor, com pequenas modificações, foi mostrado em 2014 como sendo capaz de cerca de 12 milhões de revoluções por segundo (J. Vachon et al., 2014. Um motor molecular fotoativo ligado à superfície ultrarrápido). O uso mais bonito do motor Feringa foi demonstrado na "nano-máquina" em um substrato de ouro (Fig. 4). Quatro motores, amarrados na forma de rodas a uma longa molécula, giram em uma direção e o "carro" avança.

Atualmente está sendo desenvolvido um motor molecular que pode ser ativado com luz visível em vez de UV. Com a ajuda de tal motor, será possível converter energia solar em energia mecânica de uma forma totalmente inédita - contornando a eletricidade.

Em seu trabalho mais recente publicado no Journal of the American Chemical Society ( JACS), Feringa mostrou o projeto do motor, cuja velocidade pode ser controlada por ação química, conforme mostra a fig. 5. Quando uma molécula efetora (dicloreto de metal - zinco Zn, paládio Pd ou platina Pt) é adicionada a um motor molecular, este muda sua conformação, o que facilita a rotação. As medições mostraram que a 20°C, dos três efetores testados, o motor gira mais rápido com platina (a 0,13 Hz), um pouco mais devagar com paládio (0,035 Hz) e ainda mais devagar com zinco (0,009 Hz). A velocidade máxima do motor sem efetor é 0,0041 Hz. O fenômeno observado foi confirmado por cálculos de mecânica quântica de estruturas motoras com e sem efetores. Os cálculos mostram como a conformação muda e quanto mais fácil é a rotação.

Em conclusão, deve-se dizer que os motores moleculares ainda não encontraram aplicação na vida cotidiana, mas é quase certo que é uma questão de tempo e em um futuro próximo veremos seu uso ativo.

Fontes:
1) O Prêmio Nobel de Química 2016 - o anúncio oficial do Comitê Nobel.
2) Máquinas Moleculares - uma revisão detalhada do trabalho dos laureados, preparada pelo Comitê do Nobel.
3) Adele Faulkner, Thomas van Leeuwen, Ben L. Feringa e Sander J. Wezenberg. Regulação alostérica da velocidade rotacional em um motor molecular movido a luz // Jornal da Sociedade Química Americana. 26 de setembro de 2016. V. 138 (41). P. 13597–13603. DOI: 10.1021/jacs.6b06467.

Grigory Molev