Predavač:
Nenad Raos

Molekularni strojevi

Mogućnost da se naprave strojevi koji bi se sastojali od samo jedne molekule nekoć je bila znanstvena fantastika, no danas se na tome vrlo mnogo istražuje. Molekule mogu voditi električnu struju, inducirati naboje i magnetsko polje - što omogućuje da se od njih naprave elektromotori nanometarskih dimenzija (1 nm = 1/1 000 000 mm). Neki od tih motora već se vrte!

Termin:
Srijeda, 14. svibnja. 2003. 18.30

Mjesto:
TM MD

Tko želi znati više:

Predavanje se bavi futurističkom temom ili, s druge strane, jednim novim, pionirskim područjem moderne kemije i tehnologije. To je područje poznato kao nanotehnologija ili supramolekularna kemija. Pojam nanotehnologije obuhvaća uređaje nanometarskih dimenzija (1 nm = 10^-9m = 10^-6 mm), dok pojam “supramololekularna kemija”[ 1] govori o novoj grani kemije koja se bavi strukturom i svojstvima kompleksa nastalih udruživanjem velikih molekula. S druge pak strane, teorija tehnike razlikuje prirodne i umjetne strojeve, pa je upitno zapitati se postoje li molekularni strojevi i u prirodi.Odgovor je na to pitanje potvrdan. Sve se kemijske promjene u živim organizmima, a posebice procesi oslobađanja i iskorištavanja energije temelje na molekularnim strojevima - enzimima i njihovim kompleksima. Opća teorija tih prirodnih molekularnih (nanometarskih) strojeva je kemijsko-osmotska teorija, što ju je 1961. godine postavio Peter Mitchel. Po toj teoriji svi se energetski procesi u živim bićima temelje na protoku vodikovih iona (protona) kroz stanične membrane [ 2] . Procesi u kojima se oslobađa energija primarno se rabe za izbacivanje vodikovih iona kroz membranu, da bi se zatim povratna struja protona koristila za dobivanje energije, tj. za sintezu ATP. U tom zadnjem porocesu sudjeluje enzim F₁-ATP-aza. Pri sintezi ATP-a enzimski se kompleks okreće, pa je upravo taj enzim poslužio znanstvenicima za konstrukciju prvog molekularnog stroja. Kemijskom modifikaciijom tog enzima bilo je, naime, moguće molekulu pričvrstiti za podlogu i na nju vezati kazaljku od nikla dugačku nekoliko stotina nanometara. Tom je stroju za “gorivo” služio ATP, činio je oko 8 okretaja u sekundi, radio s iskorištenjem od 80% i imao zakretni moment od 20 pN·nm [ 3] .Manji strojevi od enzimskih, koji bi se sveli na jednu - i to omanju - molekulu još nisu napravljeni, premda se iskušavaju mnogi “stroji dijelovi” takvih strojeva. Takvi bi se strojevi temeljili prije svega na molekulama polimera koji vode struju. Ti se polimeri već koriste u tehnologiji, a osnovna im je strukturna karakteristika da imaju konjugiranje veze. Drugi “strojni element” su kompleksi metala koji bi, obasjani zračenjem, otpuštali elektrone i davali ih vodljivim dijelovima molekule. Treći bi element bili prekidači koji bi propuštali ili zaustavljali struju ovisno o frekvenciji apsorbiranog elektromagnetskog začenja. u vidljivom ili ultraljubičastom području.Na kraju valja spomenuti i mehaničke dijelove nanostrojeva. Oni bi se temeljili na novoj kemiji ugljika. Sve do nedavno bile su poznate samo dvije alotropske modifikacije ugljika - grafit i dijamant. No otkrićem buckminsterfullerena (C60), ugljikove molekule nalik na nogometrnu loptu, razvila se čitava nova kemija ugljikovih nanostruktura. Sintetizirane su i druge kuglaste ugljikove molekule (fullereni), pa i nanotubule - cjevčice sastavljene od ugljikovih atoma nanometarskog promjera [ 4]. Na kraju predavanja govori se o perspektivama za budućnost. Nanometarski elektronski sklopovi omogućit će razvoj molekularnih kompjutora. Uz pretpostavku da je moguće spremiti 1 bit informacije u prostor od nm³, može se izračunati da bi molekularni čip od 1 mm³ mogao spremiti 10⁸ GB informacija, što vjerojatno nadmašuje instaliranu snagu svih današnjih kompjutora. Predavanje završava fantazijom: “staničnom podmornicom” veličine manjeg virusa (100 nm). Ta bi podmornica bila pogonjena motorom napravljnim od F₁-ATP-aze, a za “gorivo” bi koristila ATP, koji se nalazi u stanici. U njoj bi bilo ugrađen molekularni procesor kapaciteta 6 kB. Takva bi naprava mogla otkrivati bolesne stanice (npr. stanice raka), a zatim ih - otvaranjem pora na staničnoj membrani - uništavati narušavanjem dinamičke ionske ravnoteže što se uspostavlja kroz staničnu membranu.

Literatura:

1. J.-M. Lehn, Supramolecular Chemistry. Concepts and Perspectives, VCH, Weinheim 1995.
2. D. Juretić, cioenergetika. Rad membranskih proteina, Informator, Zagreb 1997.
3. R. K. Soong i sur. Science 290 (2000) 1555-1558.
4. H. Aldersey-Williams, The Most Beautiful Molecule. The Discovery of Buckyball, John Wiley & Sons., Inc., New York 1995.

L e g e n d a
TM MD - Tehnički muzej Mala dvorana
TM VD - Tehnički muzej Valika dvorana
TM KAB - Tehnički muzej Kabinet
TM PLA - Tehnički muzej Planetarij