TOATE FOTOGRAFILE

Premiul Nobel pentru Chimie 2016 a fost acordat trei oameni de știință pentru proiectarea și sinteza mașinilor moleculare. Premiul a fost primit de un cercetător din Țările de Jos, Bernard Feringa, un britanic care lucrează în Statele Unite, James Fraser Stoddart, și de un francez, Jean-Pierre Sauvage, potrivit unui comunicat de presă al Comitetului Nobel.

Oamenii de știință au reușit să dezvolte cele mai mici mașini din lume. Cercetătorii au reușit să conecteze molecule între ele, creând lifturi mici, mușchi artificiali și motoare microscopice. „Câștigătorii Premiului Nobel pentru chimie din 2016 au miniaturizat mașinile și au dus chimia într-o nouă dimensiune”, se arată pe site-ul web al comitetului. Comunicatul de presă notează că odată cu dezvoltarea tehnologiei de calcul, miniaturizarea tehnologiei ar putea duce la o revoluție.

O echipă de oameni de știință a dezvoltat molecule cu mișcări controlate care pot îndeplini sarcini atunci când se adaugă energie. Sauvage a făcut primul pas către crearea de mașini moleculare în 1983, formând un lanț de două molecule în formă de inel numit catenan. Pentru ca o mașină să îndeplinească o sarcină, aceasta trebuie să fie alcătuită din părți care se pot deplasa unele față de altele. Cele două inele legate de Sauvage au îndeplinit tocmai această cerință.

Stoddart a făcut al doilea pas în 1991, sintetizând rotaxan, un compus în care un inel este atașat de o moleculă în formă de gantere. Printre dezvoltările sale se numără un ascensor molecular, un mușchi molecular și un cip de computer creat pe baza de molecule.

În cele din urmă, Feringa a demonstrat funcționarea motoarelor moleculare în 1999.

Este de așteptat ca în viitor mașinile moleculare să fie folosite pentru a crea noi materiale, senzori și sisteme de stocare a energiei.

Stoddart s-a născut în 1942 la Edinburgh. Omul de știință este specializat în domeniul chimiei supramoleculare și al nanotehnologiei și lucrează la Universitatea Northwestern din statul american Illinois. Sauvage s-a născut la Paris în 1944, este angajat în activități științifice la Universitatea din Strasbourg, specialitatea sa este conexiunile de coordonare. Feringa, născută în 1951 în Barger-Compaskum din Țările de Jos, este profesor de chimie organică la Universitatea Olandeză din Groningen.

Premiul Nobel valorează 8 milioane de coroane suedeze. Premiul de Chimie este acordat din 1901 (cu excepția anilor 1916, 1917, 1919, 1924, 1933, 1940, 1941 și 1942). Anul acesta, premiul a fost acordat pentru a 108-a oară.

În 2015, Premiul Nobel pentru Chimie a fost acordat suedezului Thomas Lindahl, cetățeanului american Paul Modric și turco-americanului Aziz Sancar pentru cercetările lor asupra mecanismelor de reparare a ADN-ului. Lucrările oamenilor de știință au oferit lumii cunoștințe fundamentale despre funcțiile celulelor vii și, în special, despre utilizarea lor în noi metode de combatere a cancerului, a raportat Comitetul Nobel. Se estimează că aproximativ 80-90% din toate tipurile de cancer se datorează lipsei reparării ADN-ului.

Potrivit regulilor, Premiul Nobel pentru Fizică și Chimie poate fi acordat doar autorilor lucrărilor publicate într-o presă evaluată de colegi. În plus, descoperirea trebuie să fie cu adevărat semnificativă și recunoscută universal de comunitatea științifică mondială, motiv pentru care experimentaliștii primesc premiul mai des decât teoreticienii.

Cu o zi înainte, la Stockholm a fost decernat Premiul Nobel pentru Fizică. Trei oameni de știință britanici care lucrează în Statele Unite au primit premiul. Britanicul Duncan Haldane și scoțienii-americani David Thouless și Michael Kosterlitz au primit premiul pentru „descoperirile teoretice ale tranzițiilor de fază topologică și fazelor topologice ale materiei”. Oamenii de știință au explorat stări neobișnuite ale materiei. Vorbim despre supraconductori, superfluide și pelicule magnetice subțiri.

Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină 2016 a fost acordat omului de știință japonez Yoshinori Ohsumi, în vârstă de 71 de ani, pe 3 octombrie. A fost premiat pentru descoperirile sale în domeniul autofagiei (din grecescul „auto-alimentare”) – un proces în care componentele interne ale unei celule sunt livrate în lizozomii ei (la mamifere) sau vacuolele (în celulele de drojdie) și sunt supus degradării acolo.

Ceremonia anuală de anunțare a laureaților a avut loc la Stockholm Premiul Nobel pentru Chimie.

Pe 5 octombrie 2016, au fost anunțate numele câștigătorilor Premiului Nobel pentru Chimie pentru 2016. Au devenit francezi Jean-Pierre Souvage(Jean-Pierre Sauvage), american de origine scoțiană James Fraser Stoddart(Fraser Stoddart) și olandez Bernard Feringa(Bernard Feringa).

Formularea premiului: „ Pentru proiectarea și sinteza mașinilor moleculare«.

Mașinile moleculare sunt dispozitive care manipulează atomi și molecule unice. Le pot transfera dintr-un loc în altul, le pot apropia, astfel încât să se formeze o legătură chimică între ele, sau le pot desprinde astfel încât legătura chimică să se rupă. Dimensiunea unei mașini moleculare nu poate fi prea mare. Este de obicei de ordinul mai multor nanometri.

Printre promițători domenii de aplicare Astfel de mașini sunt utilizate pentru chirurgia moleculară, livrarea direcționată a medicamentelor (de exemplu, adânc într-o tumoare canceroasă, unde medicamentele convenționale aproape nu penetrează), corectarea funcțiilor biochimice dezordonate ale corpului.

După cum se afirmă într-un comunicat de presă al Academiei Regale de Științe Suedeză, primul pas către o mașină moleculară, Prof. Jean-Pierre Sauvage a făcut-o în 1983, când a legat cu succes două molecule în formă de inel pentru a forma un lanț cunoscut sub numele de catenan. Moleculele sunt în mod normal ținute împreună prin legături covalente puternice în care atomii împart electroni, dar în acest lanț sunt uniți printr-o legătură mecanică mai slabă. Pentru ca o mașină să îndeplinească o sarcină, aceasta trebuie să fie compusă din părți care se pot mișca unele față de altele. Două inele conectate îndeplinesc pe deplin această cerință.

Al doilea pas a fost făcut Fraser Stoddartîn 1991 când a dezvoltat rotaxanul (un tip de structură moleculară). El a introdus un inel molecular într-o axă moleculară subțire și a arătat că acest inel se poate mișca de-a lungul axei. Rotaxanii stau la baza unor astfel de evoluții precum elevatorul molecular, mușchiul molecular și cipul computerizat bazat pe molecule.

A Bernard Feringa a fost prima persoană care a dezvoltat un motor molecular. În 1999, a obținut o lamă de rotor moleculară care se rotește constant într-o direcție. Folosind motoare moleculare, el a rotit un cilindru de sticlă care era de 10 mii de ori mai mare decât motorul, iar omul de știință a dezvoltat și un nanocar.

Laureații din 2016 vor împărți în mod egal între ei partea în numerar a premiului în valoare de 8 milioane de coroane suedeze (aproximativ 933,6 mii USD).

Primul Premiu Nobel pentru Chimie primit în 1901 Jacob Hendrik van't Hoff recunoscând importanța enormă a descoperirii legilor dinamicii chimice și ale presiunii osmotice în soluții. De atunci și până în 2015, 172 de persoane au devenit laureații săi, dintre care 4 femei.
Cel mai adesea, Premiul Nobel pentru Chimie a fost acordat pentru munca în domeniu biochimie(de 50 de ori), Chimie organica(de 43 de ori) și Chimie Fizica(de 38 de ori).
Premiul Nobel pentru Chimie 2015 a primit un suedez Thomas Lindahl, americanul Paul Modrich și nativul turc Aziz Sancar „pentru studii mecanice ale reparării ADN-ului”, arătând la nivel molecular modul în care celulele repară ADN-ul deteriorat și păstrează informațiile genetice.

Câștigătorii Premiului Nobel pentru Chimie 2016 au fost anunțați astăzi. „Pentru proiectarea și sinteza mașinilor moleculare” trei chimiști vor primi un total de 58 de milioane de ruble - Jean-Pierre Sauvage (Franța), Sir Fraser Stoddart (SUA) și Bernard Feringa (Olanda). Viața vorbește despre ce sunt mașinile moleculare și de ce creația lor merită un premiu științific atât de prestigios.

Ce este o mașină în înțelegerea cea mai generală a acestui termen? Acesta este un dispozitiv adaptat pentru anumite operațiuni, capabil să le efectueze „în schimb” pentru combustibil. Mașina poate roti, ridica sau coborî orice obiect și poate chiar acționa ca o pompă.

Dar cât de mică poate fi o astfel de mașină? De exemplu, unele părți ale mecanismelor ceasului arată foarte mici - ar putea fi ceva mai mic? Da cu siguranta. Metodele fizice fac posibilă tăierea unui angrenaj cu un diametru de câteva sute de atomi. Acesta este de sute de mii de ori mai mic decât un milimetru familiar de conducătorii școlii. În 1984, laureatul Nobel Richard Feynman i-a întrebat pe fizicieni cât de mic ar putea fi un mecanism cu părți mobile.

Feynman s-a inspirat din exemple din natură: flagelii bacteriilor, care permit acestor organisme minuscule să se miște, se rotesc datorită unui complex format din mai multe molecule de proteine. Dar poate o persoană să creeze așa ceva?

Mașinile moleculare, constând probabil dintr-o singură moleculă, par a fi ceva din science fiction. De fapt, abia recent am învățat să manipulăm atomii (un celebru experiment IBM a avut loc în 1989) și să lucrăm cu molecule simple, staționare. Pentru a face acest lucru, fizicienii creează instalații uriașe și depun eforturi incredibile. Cu toate acestea, chimiștii au găsit o modalitate de a crea chintilioane de astfel de dispozitive simultan. El a fost cel care a devenit subiectul Premiului Nobel 2016.

Principala problemă în crearea unei mașini care constă dintr-o singură moleculă este legătura chimică. Este ceea ce leagă toți atomii unei molecule împreună care o împiedică să aibă părți în mișcare. Pentru a rezolva această contradicție, chimiștii au „inventat” un nou tip de legătură - mecanică.

Cum arată moleculele legate mecanic? Să ne imaginăm o moleculă mare, ai cărei atomi sunt aranjați într-un inel. Dacă trecem un alt lanț de atomi prin el și, de asemenea, îl închidem într-un inel, vom obține o particulă care nu poate fi împărțită în două inele fără a rupe legăturile chimice. Se pare că din punct de vedere chimic, aceste inele sunt conectate, dar nu există o legătură chimică reală între ele. Apropo, această construcție se numea catenan, din latină catena- lanț. Numele reflectă faptul că astfel de molecule sunt ca niște verigi dintr-un lanț conectate între ele.

Laureatul din Franța, Jean-Pierre Sauvage, a primit premiul în mare parte pentru munca sa inovatoare privind metodele de sinteză a catenanelor. În 1983, un om de știință și-a dat seama cum astfel de molecule ar putea fi produse în mod intenționat. Nu a fost primul care a sintetizat catenan, dar metoda de sinteză a șablonului pe care a propus-o este încă folosită în lucrările moderne.

Există o altă clasă de compuși înrudiți mecanic numiți rotaxani. Moleculele unor astfel de compuși constau dintr-un inel prin care este trecut un lanț de atomi. La capetele acestui lanț, chimiștii plasează „dopi” speciale care împiedică alunecarea inelului de pe lanț. Ele au fost ocupate de un alt laureat al premiului Nobel anul acesta, Sir James Fraser Stoddart. Apropo, Stoddart, născut în Scoția, deține titlul de Knight Bachelor. El a fost numit cavaler de însăși Regina Elisabeta a II-a pentru munca sa asupra sintezei organice. Totuși, Stoddart lucrează acum în SUA, la Universitatea Northwestern.

În aceste clase de compuși, fragmentele individuale se pot mișca liber unul față de celălalt. Inelele de catenane se pot roti liber unul față de celălalt, iar inelul de pe rotaxan poate aluneca de-a lungul lanțului. Acest lucru îi face candidați buni pentru mașinile moleculare de care Feynman a devenit interesat. Cu toate acestea, pentru ca aceste structuri să poată fi numite așa, este necesar să se obțină încă un lucru din ele - controlabilitatea.

În special pentru aceasta, chimiștii au folosit ideile de bază ale electrostaticei: dacă faceți unul dintre inele încărcate, iar pe al doilea inel (sau lanț) plasați fragmente care își pot schimba încărcătura sub influența influențelor externe, atunci puteți face inelul. respingeți dintr-o zonă a inelului (sau lanțului) și mutați-vă în alta. În primele experimente, oamenii de știință au învățat să forțeze mașinile moleculare să efectueze astfel de operațiuni folosind influențe chimice. Următorul pas a fost utilizarea luminii, a impulsurilor electrice și chiar a căldurii în aceleași scopuri - aceste metode de transfer a „combustibilului” au făcut posibilă accelerarea funcționării mașinilor.

Mențiune specială merită lucrarea celui de-al treilea laureat, Bernard Feringa. Chimistul olandez a reușit să se descurce fără molecule legate mecanic. În schimb, omul de știință a găsit o modalitate de a face moleculele unui compus care conține legături chimice tradiționale să se rotească. În 1999, Feringa a demonstrat o moleculă care arăta ca două lame conectate între ele. Fiecare dintre aceste lame a încercat să se împingă una de cealaltă, iar forma lor asimetrică făcea avantajoasă să se rotească într-o singură direcție, ca și cum ar fi un clichet pe „axa” dintre aceste lame.

Pentru ca molecula să funcționeze ca un rotor, a fost suficient să strălucească pur și simplu lumină ultravioletă asupra ei. Lamele au început să se rotească unele față de altele într-o direcție strict specificată. Mai târziu, chimiștii chiar și-au atașat astfel de molecule de rotor la o particulă uriașă (în comparație cu rotorul însuși) și astfel l-au făcut să se rotească. Apropo, viteza de rotație a unui rotor liber poate atinge zeci de milioane de rotații pe secundă.

Cu aceste trei molecule simple, chimiștii au reușit să creeze o mare varietate de mașini moleculare. Unul dintre cele mai frumoase exemple este „mușchiul” molecular, care este un hibrid ciudat de catenan și rotaxan. Când este expus la substanțe chimice (adăugând săruri de cupru), „mușchiul” se contractă cu doi nanometri.

O altă variantă a unei mașini moleculare este un „lift” sau lift. A fost introdus în 2004 de către grupul lui Stoddart pe baza de rotaxani. Dispozitivul permite ca suportul molecular să fie ridicat și coborât cu 0,7 nanometri, producând o forță „perceptibilă” de 10 picopascali.

În 2011, Feringa a arătat conceptul unei „mașini” moleculare cu patru rotoare, capabilă să conducă sub influența impulsurilor electrice. „Nanomașina” nu numai că a fost construită, dar și funcționalitatea ei a fost confirmată: fiecare revoluție a rotoarelor a schimbat ușor poziția moleculei în spațiu.

Deși aceste dispozitive par interesante, este necesar să ne amintim că una dintre cerințele Nobel pentru laureații a fost importanța descoperirilor pentru știință și umanitate. Parțial la întrebarea „de ce este nevoie de acest lucru?” a răspuns Bernard Feringa când a fost informat despre premiu. Potrivit chimistului, având astfel de mașini moleculare controlate, devine posibil să se creeze nanoroboți medicali. „Imaginați-vă roboți minusculi pe care medicii viitorului i-ar putea introduce în vene și le-ar putea direcționa să caute celule canceroase.” Omul de știință a remarcat că a simțit același lucru pe care probabil l-au simțit frații Wright după primul lor zbor, când oamenii i-au întrebat de ce ar putea fi nevoie de mașini zburătoare.

Câștigătorii Premiului Nobel pentru Chimie 2016 au fost Jean-Pierre Sauvage de la Universitatea din Strasbourg (Franța), Fraser Stoddart de la Universitatea Northwestern (SUA) și Bernard Feringa de la Universitatea din Groningen (Olanda). Premiul prestigios a fost acordat „pentru proiectarea și sinteza mașinilor moleculare” - molecule individuale sau complexe moleculare care pot efectua anumite mișcări atunci când sunt furnizate cu energie din exterior. Dezvoltarea în continuare a acestui domeniu promite descoperiri în multe domenii ale științei și medicinei.

Comitetul Nobel onorează în mod regulat lucrările care, pe lângă valoarea științifică, au o oarecare poftă suplimentară. De exemplu, în descoperirea grafenului de către Geim și Novoselov (vezi Premiul Nobel pentru Fizică - 2010, „Elemente”, 10/11/2010), pe lângă descoperirea în sine și utilizarea sa pentru observarea efectului Hall cuantic la temperatura camerei , au fost detalii tehnice remarcabile: decojirea straturilor de grafit cu bandă simplă. Shekhtman, care a descoperit cvasicristale, a avut o istorie de confruntare științifică cu un alt Nobel respectat - Pauling, care a declarat că „nu există cvasicristale, dar există cvasi-oameni de știință”.

În domeniul mașinilor moleculare, la prima vedere, nu există un astfel de punct culminant, cu excepția faptului că unul dintre laureați, Stoddart, are calitatea de cavaler (nu este primul). Dar, de fapt, există încă o caracteristică importantă. Sinteza mașinilor moleculare este aproape singura zonă din chimia organică academică care poate fi numită inginerie pură la nivel molecular, în care oamenii proiectează o moleculă de la zero și nu se odihnesc până nu o obțin. În natură, astfel de molecule, desigur, există (așa sunt structurate unele proteine ​​ale celulelor organice - miozină, kinezine - sau, de exemplu, ribozomi), dar oamenii sunt încă departe de a atinge un asemenea nivel de complexitate. Prin urmare, deocamdată, mașinile moleculare sunt rodul minții umane de la început până la sfârșit, fără încercări de a imita natura sau de a explica fenomenele naturale observate.

Deci, vorbim despre molecule în care o parte este capabilă să se miște în raport cu alta într-un mod controlat - de obicei folosind unele influențe externe și căldură pentru a se mișca. Pentru a crea astfel de molecule, Sauvage, Stoddard și Feringa au venit cu principii diferite.

Sauvage și Stoddard au realizat molecule legate mecanic: catenani - două sau mai multe inele moleculare legate care se rotesc unul față de celălalt (Fig. 1) și rotaxani - molecule compozite din două părți, în care o parte (inel) se poate deplasa de-a lungul celeilalte (drepte). baza ), având grupuri volumetrice (dopii) de-a lungul marginilor, astfel încât inelul „să nu zboare” (Fig. 2).

Folosind conceptul de mai sus, au fost create „elevatori moleculari”, „mușchi moleculari”, diferite structuri topologice moleculare de interes teoretic și chiar un ribozom artificial capabil să sintetizeze foarte lent proteine ​​scurte.

Abordarea lui Feringhi a fost fundamental diferită și foarte elegantă (Fig. 3). În motorul molecular Feringhi, părțile moleculei care se rotesc unele față de altele sunt legate nu mecanic, ci printr-o legătură covalentă reală - o legătură dublă carbon-carbon. Rotația grupurilor în jurul unei duble legături este imposibilă fără influență externă. Un astfel de efect poate fi iradierea cu lumină ultravioletă: la figurat vorbind, lumina ultravioletă rupe selectiv o legătură într-una dublă, permițând rotația pentru o fracțiune de secundă. În toate pozițiile, molecula Feringhi este încordată structural și legătura dublă este alungită. La întoarcere, molecula urmărește cea mai mică rezistență, încercând să găsească poziția cu cea mai mică tensiune. Ea nu reușește să facă acest lucru, dar în fiecare etapă se întoarce aproape exclusiv într-o singură direcție.

Un motor similar cu modificări minore, așa cum sa arătat în 2014, este capabil de aproximativ 12 milioane de rotații pe secundă (J. Vachon și colab., 2014. Un motor molecular foto-activ ultrarapid legat de suprafață). Cea mai frumoasă utilizare a motorului Feringhi a fost demonstrată într-o „nanomașină” pe un substrat de aur (Fig. 4). Patru motoare, atașate ca niște roți de o moleculă lungă, se rotesc într-o direcție, iar „mașina” se mișcă înainte.

În prezent, este în curs de dezvoltare un motor molecular care poate fi activat de lumina vizibilă în loc de UV. Cu ajutorul unui astfel de motor, va fi posibilă transformarea energiei solare în energie mecanică într-un mod complet fără precedent - ocolind electricitatea.

În cea mai recentă lucrare a sa, publicată în Journal of the American Chemical Society ( JACS), Feringa a arătat proiectarea unui motor a cărui viteză de rotație ar putea fi controlată prin acțiune chimică, așa cum se arată în Fig. 5. Când la motorul molecular se adaugă o moleculă efectoare (diclorura de metal - zinc Zn, paladiu Pd sau platină Pt), acesta din urmă își schimbă conformația, ceea ce facilitează rotația. Măsurătorile au arătat că la 20°C, dintre cei trei efectori testați, motorul se rotește cel mai rapid cu platină (cu o frecvență de 0,13 Hz), puțin mai lent cu paladiu (0,035 Hz) și chiar mai lent cu zinc (0,009 Hz). Viteza maximă a motorului fără efector este de 0,0041 Hz. Fenomenul observat a fost confirmat prin calcule mecanice cuantice ale structurilor motorii cu și fără efectori. Calculele arată cum se modifică conformația și cât de ușoară este rotația.

În concluzie, merită să spunem că motoarele moleculare nu și-au găsit încă aplicație în viața de zi cu zi, dar este aproape sigur o chestiune de timp și în viitorul apropiat vom vedea utilizarea lor activă.

Surse:
1) Premiul Nobel pentru Chimie 2016 - mesaj oficial al Comitetului Nobel.
2) Mașini moleculare - o imagine de ansamblu detaliată a muncii laureaților, pregătită de Comitetul Nobel.
3) Adele Faulkner, Thomas van Leeuwen, Ben L. Feringa și Sander J. Wezenberg. Reglarea alosterică a vitezei de rotație într-un motor molecular condus de lumină // Jurnalul Societății Americane de Chimie. 26 septembrie 2016. V. 138 (41). P. 13597–13603. DOI: 10.1021/jacs.6b06467.

Grigori Molev