Nobel z chemii dla twórców niewidocznych maszyn

Projektanci i budowniczowie niewidocznych wind i samochodów - czyli maszyn działających w świecie cząsteczek - dostali tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Według ekspertów prace noblistów mają znaczenie dla poszukiwania nowych materiałów.

Laureatami Nobla zostali Jean-Pierre Sauvage - emerytowany profesor University of Strasbourg i dyrektorem ds badań we francuskim CNRS, Sir J. Fraser Stoddart - profesorem chemii na Northwestern University w Evanston (Illinois, USA) i Bernard Lucas "Ben" Feringa - profesor chemii organicznej na holenderskim uniwersytecie w Groningen.

Nazwiska laureatów ogłosiła w środę w Sztokholmie Królewska Szwedzka Akademia Nauk. Trzej chemicy podzielą się po równo nagrodą w wysokości 8 mln koron szwedzkich (około 850 tysięcy euro).

Zostali oni nagrodzeni za "zaprojektowanie i syntezę maszyn molekularnych", na przykład sztucznych mięśni czy miniaturowych silniczków, niezbędnych do rozwoju nanotechnologii. Jak podkreślili członkowie Akademii, Sauvage dokonał pierwszego przełomu w 1983 r., kiedy połączył dwie cząsteczki w kształcie pierścienia w łańcuch. Kolejny krok wykonał Stoddart w 1991 roku, nawlekając taki pierścień na molekularną oś. Feringa zaś jako pierwszy opracował molekularny "silniczek" w 1999 r.

Pierwszy krok na drodze ku molekularnym maszynom zrobił w roku 1983 Jean-Pierre Sauvage – dzięki wykorzystaniu jonu miedzi udało mu się połączyć dwie cząsteczki o kształcie pierścienia w (raczej krótki) łańcuch, zwany katenanem (od łacińskiego słowa "catena", oznaczającego właśnie łańcuch). Dzięki jonom metali chemikom udawało się zwijać cząsteczki także w inne skomplikowane struktury – łańcuchy i węzły, przypominające węzeł celtycki, pierścienie Boromeuszy czy węzeł Salomona.

Kolejny krok wykonał w 1991 roku kolejny z tegorocznych noblistów Fraser Stoddart – udało mu się uzyskać rotaksan. Nasadził molekularny pierścień (ubogi w elektrony) na cienką molekularną oś (mającą elektronów aż nadto) i zademonstrował, że może się on na tej osi obracać. Wśród opartych na rotaksanie dzieł Stoddarta są: molekularna winda (pozwalająca unieść ładunek na wysokość 0,7 nanometra), molekularny mięsień zginający cieniutką złotą blaszkę oraz chip komputerowy – pamięć o skromnej pojemności 20 kilobajtów, jednak mająca wyjątkowo małe elementy składowe.

Trzeci noblista Bernard L. Feringa był pierwszą osobą, która skonstruowała silnik molekularny. W roku 1999 zbudował molekularny wirnik kręcący się stale w tym samym kierunku – w najnowszej wersji osiąga 12 milionów obrotów na sekundę. Używając molekularnych silników udało mu się obracać szklany cylinder o długości 28 mikrometrów - 10 000 razy większy od silnika, a nawet zbudować nanosamochód - cztery molekularne silniki zamocowane do molekularnej ramy.

Jak oceniają eksperci, pod względem zawansowania molekularne silniki są na tym samym poziomie, co silniki elektryczne w latach 30. XIX wieku. Budowane wówczas maszyny elektryczne ledwo się obracały, wydawały się ciekawostką - nikt nie przypuszczał, że w przyszłości będą wszechobecne, dadzą napęd pociągom, pralkom, wentylatorom, mikserom czy dronom.

Maszyny molekularne "będą najprawdopodobniej wykorzystywane w rozwoju nowych materiałów, czujników i systemów przechowywania energii" - podkreśliła w uzasadnieniu Królewska Szwedzka Akademia Nauk.

Dopiero w przyszłości prace te będą miały "kolosalne znaczenie" - zastrzegł w rozmowie z PAP prof. Janusz Lipkowski z Instytutu Chemii Uniwersytetu Kardynała Stefana Wyszyńskiego w Warszawie. Zauważył też, że przez długi czas cząsteczki uważano za "coś martwego", podczas gdy nobliści skonstruowali z nich maszyny. Jednak określenie "maszyny" w kontekście odkryć noblistów "jest zbyt skromne", gdyż możliwości ich zastosowania jest znacznie więcej.

Maszyny molekularne wciąż trudno używać w praktyce - potwierdza prof. Robert Hołyst z Instytutu Chemii Fizycznej PAN. Możliwość ich użycia w jakichkolwiek praktycznych zastosowaniach jest dramatycznie obniżona przez tzw. szum termiczny - wynikający z faktu, że cząsteczki wokół nas poruszają się bardzo szybko.

Prof. Janusza Jurczaka z Instytutu Chemii Organicznej PAN współpracował z każdym z laureatów. "Ze wszystkimi trzema znamy się i spotykamy od dawna. Są bardzo otwartymi, towarzyskimi kolegami, ludźmi szeroko znanymi i lubianymi w środowisku naukowym. To absolutna elita naukowych elit. Wypiliśmy wspólnie niejedną butelkę dobrego wina. Wszyscy trzej są ludźmi, którzy nie tylko uprawiają fantastyczną naukę, ale też żyją pełnią życia. Są np. melomanami" - powiedział PAP.

Tegoroczni nobliści swój czas i energię zużywają nie tylko w laboratorium. Bernard Lucas "Ben" Feringa kieruje też dużą grupą badawczą, którą stworzył praktycznie od podstaw. Wykłada i publikuje artykuły (w sumie - ponad 650, cytowanych w sumie ponad 30 tys. razy). Jest też właścicielem ponad 30 patentów. W wolnym czasie jeździ na działkę, na której hoduje konie i uprawia warzywa. "Uwielbiam przyrodę. Fakt, że możesz zasiać nasionko, a potem zjeść z niego warzywo albo oglądać kwitnący kwiat, naprawdę mnie fascynuje. I pozwala mocno stać na ziemi, podziwiając osiągnięcia natury. Dzięki temu orientuję się, że to, co robimy, jest dość prymitywne. I to jest dobra przeciwwaga dla moich zajęć w laboratorium i na sali wykładowej. Po prostu piękne" - uważa.

Równie pracowity jest J. Fraser Stoddart - posiadacz co najmniej 10 patentów, autor i współautor ponad tysiąca publikacji naukowych, a także jeden z najczęściej cytowanych chemików na świecie. Według Instytutu Filadelfijskiego od stycznia 1997 r. do sierpnia 2007 r. był trzecim najczęściej cytowanym specjalistą w dziedzinie chemii (łącznie 14 tys. 38 cytowań). Chemik dał też ponad tysiąc wykładów na uczelniach całego świata. W ciągu 45 lat w laboratoriach, którymi kierował, inspirował swoją wyobraźnią i kreatywnością ponad czterystu doktorantów lub młodych badaczy tuż po doktoracie (na tzw. stażu podoktorskim).

Trzeci nagrodzony, Jean-Pierre Sauvage, jest z kolei uczniem innego noblisty z Francji - Jean-Marie Lehna (u którego się doktoryzował). 72-letni francuski chemik powiedział w wywiadzie dla telewizji francuskiej, że otrzymał już wiele nagród, lecz Nagroda Nobla jest czymś wyjątkowym i tak bardzo prestiżowym, że większość naukowców nie ma nawet odwagi o niej marzyć. (PAP)