مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لمخترعي الآلات النانوية. حصل ثلاثة علماء على جائزة نوبل في الكيمياء لتطوير الآلات الجزيئية الحائز على جائزة نوبل في الكيمياء
وأقيم الحفل السنوي لإعلان أسماء الفائزين في ستوكهولم جائزة نوبل في الكيمياء.
في 5 أكتوبر 2016 ، تم الإعلان عن أسماء الحائزين على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2016. أصبحوا فرنسياً جان بيير سوفاج(جان بيير سوفاج) ، أمريكي اسكتلندي جيمس فريزر ستودارت(فريزر ستودارت) والهولندي برنارد فيرينجا(برنارد فيرينجا).
صيغة الجائزة: " لتصميم وتصنيع الآلات الجزيئية«.
الآلات الجزيئية هي أجهزة تتعامل مع الذرات والجزيئات المفردة. يمكنهم نقلها من مكان إلى آخر ، وتقريبها معًا بحيث تتشكل رابطة كيميائية بينها ، أو تفكيكها بحيث يتم كسر الرابطة الكيميائية. لا يمكن أن يكون حجم الآلة الجزيئية كبيرًا جدًا. عادة ما يكون في حدود بضعة نانومترات.
من بين الواعدة اتجاهات التطبيقمثل هذه الآلات هي الجراحة الجزيئية ، والتوصيل المستهدف للأدوية (على سبيل المثال ، في عمق الورم السرطاني ، حيث لا تكاد الأدوية التقليدية تخترق) ، وتصحيح الوظائف الكيميائية الحيوية المضطربة في الجسم.
وفقًا لبيان صحفي صادر عن الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم ، فإن الخطوة الأولى نحو آلة جزيئية هي الأستاذ جان بيير سوفاجفعل ذلك في عام 1983 عندما نجح في دمج جزيئين على شكل حلقة معًا لتشكيل سلسلة تعرف باسم كاتينان. عادة ، ترتبط الجزيئات عن طريق روابط تساهمية قوية ، حيث تشترك الذرات في الإلكترونات ، ولكن في هذه السلسلة ترتبط برابطة ميكانيكية أكثر مرونة. لكي تقوم الآلة بمهمة ما ، يجب أن تتكون من أجزاء يمكن أن تتحرك بالنسبة لبعضها البعض. حلقتان متصلتان تلبي تمامًا هذا المطلب.
تم اتخاذ الخطوة الثانية فريزر ستودارتفي عام 1991 عندما طور الروتاكسان (نوع من التركيب الجزيئي). قطع حلقة جزيئية إلى محور جزيئي رفيع وأظهر أن هذه الحلقة يمكن أن تتحرك على طول المحور. الروتاكسانات هي الأساس للتطورات مثل الرفع الجزيئي والعضلات الجزيئية وشريحة الكمبيوتر القائمة على الجزيء.
أ برنارد فيرينجاكان أول شخص يطور محركًا جزيئيًا. في عام 1999 ، حصل على شفرة دوار جزيئية تدور باستمرار في اتجاه واحد. باستخدام المحركات الجزيئية ، قام بتدوير أسطوانة زجاجية أكبر بعشرة آلاف مرة من المحرك ، كما طور العالم سيارة نانوية.
سيشارك الفائزون لعام 2016 في أموال الجائزة في حصص متساوية بمبلغ 8 ملايين كرونة سويدية (حوالي 933.6 ألف دولار).
جائزة نوبل الأولى في الكيمياءفي عام 1901 وردت جاكوب هندريك فانت هوفتقديراً للأهمية الكبرى لاكتشاف قوانين الديناميكيات الكيميائية والضغط الاسموزي في المحاليل. منذ ذلك الحين وحتى عام 2015 ، حصل 172 شخصًا على جائزة ، من بينهم 4 نساء.
في أغلب الأحيان ، تُمنح جائزة نوبل في الكيمياء للعمل في هذا المجال الكيمياء الحيوية(50 مرة)، الكيمياء العضوية(43 مرة) و الكيمياء الفيزيائية(38 مرة).
2015 جائزة نوبل في الكيمياءحصلت على سويدي توماس ليندال، الأمريكي بول مودريتش والتركي المولد عزيز سنجر "لدراسات الإصلاح الميكانيكية للحمض النووي" ، ويوضحان على المستوى الجزيئي كيف تقوم الخلايا بإصلاح الحمض النووي التالف والحفاظ على المعلومات الجينية.
تم الإعلان اليوم عن الفائزين بجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2016. من أجل تصميم وتصنيع الآلات الجزيئية ، سيحصل ثلاثة كيميائيين على إجمالي 58 مليون روبل - جان بيير سوفاج (فرنسا) ، السير فريزر ستودارت (الولايات المتحدة الأمريكية) وبرنارد فيرينجا (هولندا). تخبرنا الحياة عن ماهية الآلات الجزيئية ولماذا يستحق صنعها مثل هذه الجائزة العلمية المرموقة.
ما هي الآلة بالمعنى الأكثر عمومية لهذا المصطلح؟ هذا جهاز شحذ لعمليات معينة ، وقادر على القيام بها "مقابل" الوقود. يمكن للآلة تدوير أو رفع أو خفض أي شيء ، بل يمكن أن تعمل كمضخة.
ولكن ما مدى صغر حجم هذه الآلة؟ على سبيل المثال ، تبدو بعض تفاصيل آليات الساعة صغيرة جدًا - فهل يمكن أن يكون هناك أي شيء أصغر؟ نعم بالتاكيد. تجعل الطرق الفيزيائية من الممكن قطع ترس يبلغ قطره بضع مئات من الذرات. هذا هو مئات الآلاف من المرات أقل من ملليمتر واحد مألوف من حاكم المدرسة. في عام 1984 ، سأل ريتشارد فاينمان الحائز على جائزة نوبل علماء الفيزياء عن مدى صغر آلية الأجزاء المتحركة.
استوحى فاينمان من أمثلة من الطبيعة: سوط البكتيريا ، الذي يسمح لهذه الكائنات الدقيقة بالحركة ، بالتناوب بفضل مجموعة معقدة من عدة جزيئات بروتينية. لكن هل يمكن لشخص أن يخلق شيئًا كهذا؟
تبدو الآلات الجزيئية ، التي ربما تتكون من جزيء واحد فقط ، وكأنها شيء خارج عالم الخيال. في الواقع ، لقد تعلمنا مؤخرًا فقط كيفية التعامل مع الذرات (حدثت تجربة IBM الشهيرة في عام 1989) والعمل مع جزيئات مفردة غير متحركة. لهذا ، يقوم الفيزيائيون بإنشاء منشآت هائلة ويبذلون جهودًا لا تصدق. ومع ذلك ، فقد وجد الكيميائيون طريقة لإنشاء ما يقرب من كوينتيليون من هذه الأجهزة على الفور. كان هو الذي أصبح موضوع جائزة نوبل لعام 2016.
المشكلة الرئيسية في صنع آلة أحادية الجزيء هي الترابط الكيميائي. إن ما يربط كل ذرات الجزيء معًا يمنعه من أن يكون له أجزاء متحركة. لحل هذا التناقض ، اخترع الكيميائيون نوع جديداتصالات - ميكانيكية.
ما هي الجزيئات المرتبطة ميكانيكيا مثل؟ تخيل جزيءًا كبيرًا به ذرات مصطفة في حلقة. إذا مررنا سلسلة أخرى من الذرات من خلالها وأغلقناها أيضًا في حلقة ، نحصل على جسيم لا يمكن تقسيمه إلى حلقتين دون كسر الروابط الكيميائية. اتضح أنه من وجهة نظر الكيمياء ، هذه الحلقات متصلة ، لكن لا يوجد رابط كيميائي حقيقي بينهما. بالمناسبة ، كان هذا التصميم يسمى catenan ، من اللاتينية كاتينا- سلسلة. يعكس الاسم حقيقة أن هذه الجزيئات تشبه روابط متسلسلة متصلة ببعضها البعض.
حصل الحائز على جائزة من فرنسا ، جان بيير سوفاج ، على الجائزة في كثير من النواحي لعمله الرائع فيما يتعلق بأساليب تصنيع الكاتينان. في عام 1983 ، اكتشف العالم كيفية الحصول على هذه الجزيئات عن قصد. لم يكن أول من قام بتجميع catenan ، ولكن طريقة تركيب النموذج التي اقترحها مستخدمة في الأعمال الحديثة أيضًا.
هناك فئة أخرى من المركبات المرتبطة ميكانيكيًا تسمى rotaxanes. تتكون جزيئات هذه المركبات من حلقة يتم من خلالها ربط سلسلة من الذرات. في نهايات هذه السلسلة ، يضع الكيميائيون "سدادات" خاصة لمنع الحلقة من الانزلاق عن السلسلة. تم التعامل معهم من قبل الحائز على جائزة نوبل آخر هذا العام ، السير جيمس فريزر ستودارت. بالمناسبة ، Stoddart المولود في اسكتلندا هو حامل لقب فارس البكالوريوس. وقد منحته الملكة إليزابيث الثانية لقب فارس لعمله في مجال التخليق العضوي. ومع ذلك ، يعمل Stoddart الآن في الولايات المتحدة ، في جامعة نورث وسترن.
في فئات الاتصال هذه ، يمكن أن تتحرك الأجزاء الفردية بحرية بالنسبة إلى بعضها البعض. يمكن أن تدور حلقات catenan بحرية بالنسبة لبعضها البعض ، ويمكن أن تنزلق حلقة rotaxan على طول السلسلة. هذا يجعلهم مرشحين جيدين للآلات الجزيئية التي أصبح فاينمان مهتمًا بها. ومع ذلك ، من أجل تسمية هذه الهياكل بذلك ، يجب تحقيق شيء آخر منها - إمكانية التحكم.
لهذا الغرض على وجه الخصوص ، استخدم الكيميائيون الأفكار الأساسية للكهرباء الساكنة: إذا جعلت إحدى الحلقات مشحونة ، ووضعت شظايا على الحلقة الثانية (أو السلسلة) التي يمكن أن تغير شحنتها تحت تأثير التأثيرات الخارجية ، فيمكنك حينئذٍ جعل الحلقة صد من منطقة من الحلقة (أو السلسلة) وانتقل إلى منطقة أخرى. في التجارب الأولى ، تعلم العلماء كيفية إجبار الآلات الجزيئية على إجراء عمليات مماثلة باستخدام التأثيرات الكيميائية. كانت الخطوة التالية هي استخدام الضوء والنبضات الكهربائية وحتى الحرارة فقط لنفس الأغراض - هذه الطرق لنقل "الوقود" جعلت من الممكن تسريع عمل الآلات.
يجب أن نسلط الضوء أيضًا على عمل الفائز الثالث ، برنارد فيرينجا. تمكن الكيميائي الهولندي من الاستغناء عن الجزيئات المرتبطة ميكانيكيًا. بدلاً من ذلك ، وجد العالم طريقة لجعل جزيئات المركب تدور ، تحتوي على روابط كيميائية تقليدية. في عام 1999 ، أظهر فيرينجا جزيءًا يشبه نصلتين مترابطتين. حاولت كل من هذه الشفرات الدفع عن بعضها البعض ، وشكلها غير المتماثل جعل من المفيد أن تدور في اتجاه واحد فقط ، كما لو كان هناك سقاطة على "المحور" بين هذه الشفرات.
من أجل جعل الجزيء يعمل مثل الدوار ، كان يكفي فقط تسليط الضوء فوق البنفسجي عليه. بدأت الشفرات في الدوران بالنسبة لبعضها البعض في اتجاه محدد بدقة. في وقت لاحق ، قام الكيميائيون بتثبيت مثل هذه الجزيئات الدوارة على جسيم ضخم (مقارنة بالعضو الدوار نفسه) ، وبالتالي أجبروه على الدوران. بالمناسبة ، يمكن أن تصل سرعة دوران الدوار الحر إلى عشرات الملايين من الثورات في الثانية.
باستخدام هذه الجزيئات الثلاثة الأبسط ، تمكن الكيميائيون من إنشاء مجموعة متنوعة من الآلات الجزيئية. ومن أجمل الأمثلة على ذلك "العضلات" الجزيئية ، وهي مزيج غريب من الكاتينان والروتاكسان. تحت التأثيرات الكيميائية (إضافة أملاح النحاس) ، تقل "العضلة" بمقدار 2 نانومتر.
البديل الآخر للآلة الجزيئية هو "المصعد" أو المصعد. تم تقديمه في عام 2004 من قبل مجموعة Stoddart على أساس rotaxanes. يسمح الجهاز برفع وخفض المنصة الجزيئية بمقدار 0.7 نانومتر ، مما ينتج قوة "ملموسة" تبلغ 10 بيكوباسكال.
في عام 2011 ، أظهر فيرينجا مفهوم "آلة" جزيئية رباعية المراوح قادرة على القيادة تحت تأثير النبضات الكهربائية. لم يتم بناء "الماكينة النانوية" فحسب ، بل كان من الممكن أيضًا تأكيد كفاءتها: فكل ثورة في الدوارات قد غيرت بشكل طفيف موضع الجزيء في الفضاء.
على الرغم من أن هذه الأجهزة تبدو مسلية ، يجب أن نتذكر أن أحد متطلبات نوبل للحائزين على جائزة نوبل هو أهمية الاكتشافات للعلم والإنسانية. جزئيًا إلى السؤال "لماذا هذا ضروري؟" رد برنارد فيرينجا عندما أُبلغ بالجائزة. وفقًا للكيميائي ، باستخدام مثل هذه الآلات الجزيئية الخاضعة للرقابة ، يصبح من الممكن إنشاء روبوتات نانوية طبية. "تخيل الروبوتات الصغيرة التي يمكن لأطباء المستقبل حقنها في عروقك وتوجيههم للبحث عن الخلايا السرطانية." لاحظ العالم أنه شعر بنفس الشعور الذي شعر به الأخوان رايت على الأرجح بعد الرحلة الأولى ، عندما سألهم الناس لماذا قد يحتاجون حتى إلى آلات طيران.
منح جان بيير سوفاج وبرنارد فيرينجا وفريزر ستودارت جائزة نوبل في الكيمياء
إعلان عن الفائزين بجائزة نوبل في الكيمياء
موسكو. 5 أكتوبر. الموقع - حصل جان بيير سوفاج وبرنارد فيرينجا وفريزر ستودارت على جائزة نوبل في الكيمياء عام 2016 مع صياغة "لتصميم وتصنيع الآلات الجزيئية".
Sauvage هو كيميائي فرنسي متخصص في الكيمياء فوق الجزيئية. إنه مجال الكيمياء الذي يدرس الهياكل فوق الجزيئية - تجميعات من جزيئين أو أكثر يتم تجميعها معًا من خلال التفاعلات بين الجزيئات. كان Sauvage أول كيميائي يصنع مركبًا من فئة catenan. تتكون جزيئات هذه المواد من حلقتين متصلتين ببعضهما البعض. يسمى هذا النوع من الاتصال الطوبولوجي ، ويحدد الموقع N + 1.
رسم توضيحي لتمديد وتقلص بنية الحلقة الجزيئية
قام Fraser Stoddart ، العالم الاسكتلندي الذي يعمل الآن في الولايات المتحدة ، بتوسيع قائمة المركبات ذات الروابط "غير الكيميائية" المماثلة عن طريق تصنيع الروتاكسان. تتكون جزيئات Rotaxan من سلسلة طويلة يتم وضع حلقة حولها بشكل فضفاض. بفضل الهيكلين الكبيرين في نهايات السلسلة ، لا يمكن أن "تسقط" الحلقة من السلسلة.
نقل جزيئي أنشأه Stoddart قادر على التحرك على طول محور تحت السيطرة
أصبح برنارد فيرينجا ، المتخصص في تقنية النانو الجزيئية والحفز المتجانس ، أول كيميائي يطور ويصنع محركًا جزيئيًا - وهو جزيء يخضع لتغيرات هيكلية تحت تأثير الضوء ويبدأ بالدوران مثل شفرة الطاحونة الهوائية في اتجاه محدد بدقة. في عام 1999 ، بمساعدة المحركات الجزيئية ، تمكن العالم من جعل أسطوانة زجاجية تدور 10 آلاف ضعف حجم المحركات.
مثال على آلة جزيئية ذات أربع "عجلات"
في عام 2015 ، الحائزون على جائزة نوبل في نفس الفئة هم السويدي توماس ليندال ، الذي يعمل في المملكة المتحدة ، والأمريكي بول مودريتش ، الذي يجري أبحاثًا في الولايات المتحدة ، والعالم التركي المولد عزيز سنكار. مُنحت الجائزة له عن أبحاثه في آليات إصلاح الحمض النووي - الوظيفة الخاصة للخلايا ، وهي القدرة على إصلاح التلف الكيميائي والكسر في جزيئات الحمض النووي التي تحدث أثناء التخليق الحيوي الطبيعي أو نتيجة التعرض للمواد الفيزيائية أو الكيميائية. عملاء.
جائزة نوبل في الكيمياء عام 2014 للأمريكيين إريك بيتزيج وويليام منير والألماني ستيفان هيل لمساهماتهم في تطوير مجهر مضان فائق الدقة.
في وقت سابق من هذا الأسبوع ، تم الإعلان عن جائزة نوبل في الطب (التي فاز بها العالم الياباني يوشينوري أوسومي) وجائزة نوبل في الفيزياء (فاز بها ديفيد ثولز ودنكان هالدين ومايكل كوسترليتز عن انتقالات الطور الطوبولوجي والمراحل الطوبولوجية للمادة).
أصبح نيكولاي سيمينوف (1896-1986) ، مع الإنجليزي سيريل هينشلوود ، الروسي الوحيد الحائز على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1956 لبحثه في آلية التفاعلات الكيميائية.
سيتم الإعلان عن الفائز التالي بجائزة نوبل ، الحائز على جائزة السلام يوم الجمعة 7 أكتوبر.
سيحصل الفائزون بجائزة نوبل لعام 2016 على 8 ملايين كرونة سويدية (حوالي 931 ألف دولار). يقام حفل توزيع الجوائز تقليديًا في ستوكهولم في 10 ديسمبر ، في يوم وفاة مؤسس جوائز نوبل - رجل الأعمال والمخترع السويدي ألفريد نوبل (1833-1896).
وأشار
الفائزون: الفرنسي جان بيير سوفاج من جامعة ستراسبورغ ، من اسكتلندا السير ج. فرازر ستودارت من جامعة نورث وسترن (إلينوي ، الولايات المتحدة الأمريكية) وبرنارد إل فيرينجا) من جامعة جرونينجن (هولندا).
المصدر: pbs.twimg.com
الصياغة الخاصة بالجائزة هي: "لتصميم وتصنيع الآلات الجزيئية". ساهم الفائزون هذا العام في تصغير التكنولوجيا التي يمكن أن تكون ثورية. لم يقتصر دور Sauvage و Stoddart و Feringa على الآلات المصغرة فحسب ، بل أعطى الكيمياء بُعدًا جديدًا أيضًا.
ابتكر العلماء آليات جزيئية يمكنها عمل حركات اتجاهية وبالتالي تتصرف مثل الآلات الحقيقية. يمكن استخدامها في المقام الأول في أجهزة الاستشعار المختلفة ، وكذلك في الطب.
وفقًا لبيان صحفي صادر عن الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم ، اتخذ البروفيسور جان بيير سوفاج خطوته الأولى نحو آلة جزيئية في عام 1983 ، عندما نجح في ربط جزيئين على شكل حلقة معًا لتشكيل سلسلة تعرف باسم كاتينان. عادة ، ترتبط الجزيئات عن طريق روابط تساهمية قوية ، حيث تشترك الذرات في الإلكترونات ، ولكن في هذه السلسلة ترتبط برابطة ميكانيكية أكثر مرونة. لكي تقوم الآلة بمهمة ما ، يجب أن تتكون من أجزاء يمكن أن تتحرك بالنسبة لبعضها البعض. حلقتان متصلتان تلبي تمامًا هذا المطلب.
اتخذ الخطوة الثانية بواسطة Fraser Stoddart في عام 1991 عندما طور الروتاكسان (نوع من التركيب الجزيئي). قطع حلقة جزيئية إلى محور جزيئي رفيع وأظهر أن هذه الحلقة يمكن أن تتحرك على طول المحور. الروتاكسانات هي الأساس للتطورات مثل الرفع الجزيئي والعضلات الجزيئية وشريحة الكمبيوتر القائمة على الجزيء.
وكان برنارد فيرينجا أول شخص طور المحرك الجزيئي. في عام 1999 ، حصل على شفرة دوار جزيئية تدور باستمرار في اتجاه واحد. باستخدام المحركات الجزيئية ، قام بتدوير أسطوانة زجاجية أكبر بعشرة آلاف مرة من المحرك ، كما طور العالم سيارة نانوية.
ومن المثير للاهتمام أن الحائزين على جائزة عام 2016 لم "يتألقوا" بشكل خاص في مختلف قوائم المفضلات التي تظهر كل عام عشية "أسبوع نوبل".
من بين أولئك الذين حصلوا على جائزة الكيمياء هذا العام من قبل وسائل الإعلام ، على سبيل المثال ، جورج إم تشيرش وفينج زانج (كلاهما يعملان في الولايات المتحدة) - لتطبيق تحرير الجينوم CRISPR-cas9 في خلايا الإنسان والفأر.
كما كان على القائمة المفضلة عالم هونغ كونغ دينيس لو (دينيس لو يوكمين) لاكتشافه الحمض النووي داخل الرحم الخالي من الخلايا في بلازما البر الرئيسي ، مما أحدث ثورة في اختبارات ما قبل الولادة غير الجراحية.
تم أيضًا تسمية أسماء العلماء اليابانيين - هيروشي مايدا وياسوهيرو ماتامورا (لاكتشاف تأثير زيادة النفاذية والاحتفاظ بالعقاقير الجزيئية ، وهو اكتشاف رئيسي لعلاج السرطان).
في بعض المصادر ، يمكن للمرء أن يجد اسم الكيميائي ألكسندر سبوكويني ، الذي ولد في موسكو ، ولكن بعد انتقال عائلته إلى أمريكا ، يعيش ويعمل في الولايات المتحدة. يطلق عليه "نجم الكيمياء الصاعد". بالمناسبة ، أصبح الأكاديمي نيكولاي سيميونوف الفائز السوفياتي الوحيد بجائزة نوبل في الكيمياء عام 1956 لتطوير نظرية التفاعلات المتسلسلة. معظم الحاصلين على هذه الجائزة هم علماء من الولايات المتحدة. في المرتبة الثانية العلماء الألمان ، في المرتبة الثالثة - البريطانيين.
قد يطلق على جائزة الكيمياء "أكثر جوائز نوبل نوبل". بعد كل شيء ، الشخص الذي أسس هذه الجائزة ، ألفريد نوبل ، كان بالضبط كيميائيًا ، وفي الجدول الدوري للعناصر الكيميائية ، يوجد نوبليوم بجانب مندليفيوم.
تقرر الجائزة الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم. من عام 1901 (ثم أصبح الهولندي جاكوب هندريك فانت هوف أول من يُمنح في مجال الكيمياء) حتى عام 2015 ، مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء 107 مرات. على عكس الجوائز المماثلة في مجال الفيزياء أو الطب ، تم منحها في كثير من الأحيان إلى فائز واحد (في 63 حالة) ، وليس لعدة مرات في وقت واحد. في الوقت نفسه ، حصلت أربع نساء فقط على جائزة في الكيمياء - من بينهن ماري كوري ، الحاصلة أيضًا على جائزة نوبل في الفيزياء ، وابنتها إيرين جوليو كوري. الشخص الوحيد الذي حصل على جائزة نوبل الكيميائية مرتين كان فريدريك سانجر (1958 و 1980).
وكان أصغر الحاصلين على الجائزة هو فريدريك جوليو البالغ من العمر 35 عامًا ، والذي حصل على الجائزة عام 1935. وأكبرهم كان جون ب. فين ، الذي "استحوذت عليه" جائزة نوبل عن عمر يناهز 85 عامًا.
العام الماضي الحائزين على جائزة نوبلفي الكيمياء ، توماس ليندال (بريطانيا العظمى) وعالِمان من الولايات المتحدة - بول مودريتش وعزيز سانشار (مواطن تركي). مُنحت الجائزة لهم عن "البحث الميكانيكي في إصلاح الحمض النووي".
الفائزون بجائزة نوبل لعام 2016 في الكيمياء هم جان بيير سوفاج من جامعة ستراسبورغ (فرنسا) وفريزر ستودارت من جامعة نورث وسترن (الولايات المتحدة الأمريكية) وبرنارد فيرينجا من جامعة جرونينجن (هولندا). تم منح الجائزة المرموقة "لتصميم وتصنيع الآلات الجزيئية" - الجزيئات الفردية أو المجمعات الجزيئية التي يمكنها القيام بحركات معينة عند تزويدها بالطاقة من الخارج. مزيد من التطوير لهذا المجال يبشر باختراقات في العديد من مجالات العلوم والطب.
تعترف لجنة نوبل بانتظام بالأعمال التي ، بالإضافة إلى قيمتها العلمية ، لا تزال تحتوي على بعض الحماس الإضافي. لذلك ، على سبيل المثال ، في اكتشاف الجرافين بواسطة Geim و Novoselov (انظر جائزة نوبل في الفيزياء - 2010 ، "العناصر" ، 11.10.2010) ، بالإضافة إلى الاكتشاف نفسه واستخدامه لمراقبة تأثير القاعة الكمومية في درجة حرارة الغرفة ، كانت هناك تفاصيل تقنية ملحوظة: تقشير طبقات الجرافيت بشريط عادي. كان لشيختمان ، الذي اكتشف البلورات شبه البلورية ، تاريخًا من المواجهة العلمية مع نبيل محترم آخر ، هو باولينج ، الذي أعلن أنه "لا توجد بلورات شبه بلورية ، لكن هناك شبه علماء".
في مجال الآلات الجزيئية ، للوهلة الأولى ، لا يوجد مثل هذا الحماس ، إذا استبعدنا حقيقة أن أحد الحائزين على الجائزة ، ستودارت ، لديه لقب فارس (ليس الأول). لكن في الحقيقة ، هناك ميزة مهمة. يكاد يكون تخليق الآلات الجزيئية هو المجال الوحيد في الكيمياء العضوية الأكاديمية التي يمكن أن يطلق عليها الهندسة البحتة على المستوى الجزيئي ، حيث يصمم الناس جزيءًا من الصفر ولا يرتاحون حتى يحصلوا عليه. في الطبيعة ، بالطبع ، هناك جزيئات متشابهة (هكذا يتم ترتيب بعض بروتينات الخلايا العضوية - الميوسين ، الكينيسين - أو ، على سبيل المثال ، الريبوسومات) ، لكن الناس ما زالوا بعيدين عن مثل هذا المستوى من التعقيد. لذلك ، في الوقت الحالي ، تعد الآلات الجزيئية ثمرة عقل الإنسان من البداية إلى النهاية ، دون محاولات لتقليد الطبيعة أو تفسير الظواهر الطبيعية المرصودة.
لذلك ، نحن نتحدث عن جزيئات يكون فيها جزء واحد قادرًا على التحرك بالنسبة إلى جزء آخر بطريقة مضبوطة - كقاعدة عامة ، باستخدام التأثيرات الخارجية جزئيًا والحرارة للتحرك. لإنشاء مثل هذه الجزيئات ، توصل Sauvage و Stoddard و Feringa إلى مبادئ مختلفة.
صنع Sauvage و Stoddard جزيئات مرتبطة ميكانيكيًا: catenans - حلقتان جزيئيتان أو أكثر تدوران بالنسبة لبعضهما البعض (الشكل 1) ، والروتاكسانات - جزيئات مركبة من جزأين يمكن أن يتحرك فيه جزء (حلقة) على طول الآخر (قاعدة مستقيمة ) ، التي تحتوي على مجموعات ضخمة (سدادات) عند الحواف بحيث "لا تطير" الحلقة (الشكل 2).
باستخدام المفهوم أعلاه ، تم إنشاء "الرفع الجزيئي" ، و "العضلات الجزيئية" ، والتركيبات الطوبولوجية الجزيئية المختلفة ذات الأهمية النظرية ، وحتى الريبوسوم الاصطناعي القادر على تخليق البروتينات القصيرة ببطء شديد.
كان نهج فيرينجا مختلفًا تمامًا وأنيقًا جدًا (الشكل 3). في محرك فيرينجا الجزيئي ، أجزاء الجزيء التي تدور بالنسبة لبعضها البعض ليست مرتبطة ميكانيكيًا ، ولكن برابطة تساهمية حقيقية - رابطة كربون-كربون مزدوجة. دوران المجموعات حول رابطة مزدوجة مستحيل بدون تأثير خارجي. يمكن أن يكون هذا التأثير عبارة عن تشعيع بالأشعة فوق البنفسجية: من الناحية المجازية ، يكسر الضوء فوق البنفسجي بشكل انتقائي رابطة واحدة إلى رابطة مزدوجة ، مما يسمح بالدوران لجزء من الثانية. في هذه الحالة ، في جميع المواضع ، يكون جزيء Feringa متوترًا هيكليًا ويتم استطالة الرابطة المزدوجة. الجزيء ، عند تدويره ، يتبع أقل مقاومة ، محاولًا إيجاد الموضع الأقل توترًا. لا تستطيع أن تفعل ذلك ، لكنها تدور في كل مرحلة بشكل حصري تقريبًا في اتجاه واحد.
محرك مشابه مع تعديلات طفيفة ، كما هو موضح في 2014 ، قادر على حوالي 12 مليون دورة في الثانية (J. Vachon et al. ، 2014. محرك جزيئي فائق السرعة مرتبط بالسطح). تم عرض أجمل استخدام لمحرك Feringa في "آلة نانوية" على ركيزة ذهبية (الشكل 4). أربعة محركات ، مربوطة كعجلات بجزيء طويل ، تدور في اتجاه واحد ، وتتحرك "السيارة" للأمام.
في الوقت الحالي ، يتم تطوير محرك جزيئي يمكن تنشيطه بالضوء المرئي بدلاً من الأشعة فوق البنفسجية. بمساعدة مثل هذا المحرك ، سيكون من الممكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة ميكانيكية بطريقة غير مسبوقة تمامًا - تجاوز الكهرباء.
في أحدث أعماله المنشورة في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية ( جاك) ، أظهر Feringa تصميم محرك يمكن التحكم في سرعته الدورانية عن طريق العمل الكيميائي ، كما هو موضح في الشكل. 5. عند إضافة جزيء فاعل (ثنائي كلوريد المعدن - الزنك الزنك ، البلاديوم Pd أو البلاتين Pt) إلى المحرك الجزيئي ، يغير الأخير شكله ، مما يسهل الدوران. أظهرت القياسات أنه عند 20 درجة مئوية من المؤثرات الثلاثة المختبرة ، يدور المحرك أسرع مع البلاتين (0.13 هرتز) ، وأبطأ قليلاً مع البلاديوم (0.035 هرتز) ، وحتى أبطأ مع الزنك (0.009 هرتز). السرعة القصوى للمحرك بدون مستجيب هي 0.0041 هرتز. تم تأكيد الظاهرة المرصودة من خلال الحسابات الميكانيكية الكمومية للهياكل الحركية مع وبدون مؤثرات. توضح الحسابات كيف يتغير التشكل ومدى سهولة الدوران.
في الختام ، يجب أن يقال إن المحركات الجزيئية لم تجد بعد تطبيقًا في الحياة اليومية ، لكنها بالتأكيد مسألة وقت ، وفي المستقبل القريب سنرى استخدامها النشط.
مصادر:
1) جائزة نوبل في الكيمياء 2016 - الإعلان الرسمي من لجنة نوبل.
2) الآلات الجزيئية - مراجعة تفصيلية لأعمال الحائزين على جائزة نوبل من إعداد لجنة نوبل.
3) Adele Faulkner، Thomas van Leeuwen، Ben L.Feringa، and Sander J. Wezenberg. تنظيم خيفي لسرعة الدوران في محرك جزيئي مدفوع بالضوء // مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية... 26 سبتمبر 2016. V. 138 (41). ص 13597-13603. دوي: 10.1021 / jacs.6b06467.
غريغوري موليف
