Nobelpreis für Chemie an Erfinder von Nanomaschinen verliehen. Nobelpreis für Chemie an drei Wissenschaftler für die Entwicklung molekularer Maschinen verliehen Nobelpreisträger für Chemie

Die jährliche Verleihung der Preisträger fand in Stockholm statt Nobelpreis für Chemie.

Am 5. Oktober 2016 wurden die Namen der Chemie-Nobelpreisträger 2016 bekannt gegeben. Sie wurden Franzose Jean-Pierre Suvage(Jean-Pierre Sauvage), Schottisch-Amerikaner James Fraser Stoddart(Fraser Stoddart) und der Holländer Bernard Feringa(Bernard Feringa).

Preiswortlaut: „ Für das Design und die Synthese molekularer Maschinen«.

Molekulare Maschinen sind Geräte, die einzelne Atome und Moleküle manipulieren. Sie können sie von einem Ort zum anderen transferieren, näher zusammenbringen, sodass eine chemische Bindung zwischen ihnen entsteht, oder sie auseinander ziehen, sodass die chemische Bindung aufgebrochen wird. Die Größe einer molekularen Maschine kann nicht zu groß sein. Sie liegt normalerweise in der Größenordnung von wenigen Nanometern.

Unter den vielversprechenden Anwendungshinweise solche Maschinen sind Molekularchirurgie, gezielte Medikamentenabgabe (zum Beispiel tief in einen Krebstumor, wo herkömmliche Medikamente kaum eindringen), Korrektur gestörter biochemischer Funktionen des Körpers.

Laut einer Pressemitteilung der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften ist der erste Schritt zu einer molekularen Maschine Professor Jean-Pierre Sauvage tat es 1983, als er erfolgreich zwei ringförmige Moleküle miteinander verschmolz, um eine Kette namens Catenan zu bilden. Normalerweise sind Moleküle durch starke kovalente Bindungen verbunden, in denen die Atome Elektronen teilen, aber in dieser Kette sind sie durch eine lockerere mechanische Bindung verbunden. Damit eine Maschine eine Aufgabe erfüllen kann, muss sie aus Teilen bestehen, die sich relativ zueinander bewegen können. Zwei verbundene Ringe erfüllen diese Anforderung vollständig.

Der zweite Schritt ist getan Fraser Stoddart 1991, als er Rotaxan (eine Art Molekülstruktur) entwickelte. Er schnitt einen Molekülring in eine dünne Molekülachse und zeigte, dass sich dieser Ring entlang der Achse bewegen kann. Rotaxane sind die Basis für Entwicklungen wie Molecular Lift, Molecular Muscle und ein auf einem Molekül basierender Computerchip.

EIN Bernard Feringa war der erste Mensch, der einen molekularen Motor entwickelt hat. 1999 erhielt er ein molekulares Rotorblatt, das sich ständig in eine Richtung dreht. Mit molekularen Motoren drehte er einen Glaszylinder, der zehntausendmal größer war als der Motor, und der Wissenschaftler entwickelte auch ein Nanoauto.

Die Preisträger von 2016 teilen sich das Preisgeld in Höhe von 8 Millionen SEK (ca. 933,6 Tausend US-Dollar) zu gleichen Teilen.

1. Nobelpreis für Chemie 1901 erhalten Jacob Hendrik Van't Hoff in Anerkennung der großen Bedeutung der Entdeckung der Gesetze der chemischen Dynamik und des osmotischen Drucks in Lösungen. Seitdem und bis 2015 wurden 172 Personen Preisträger, davon 4 Frauen.
Am häufigsten wurde der Nobelpreis für Chemie für Arbeiten auf diesem Gebiet verliehen Biochemie(50 mal), organische Chemie(43 mal) und physikalische Chemie(38 mal).
2015 Nobelpreis für Chemie hab einen schweden Thomas Lindahl, dem Amerikaner Paul Modric und dem türkischstämmigen Aziz Sanjar "für mechanistische DNA-Reparaturstudien", die auf molekularer Ebene zeigen, wie Zellen beschädigte DNA reparieren und genetische Informationen erhalten.

Heute wurden die Nobelpreisträger für Chemie 2016 bekannt gegeben. Für das Design und die Synthese molekularer Maschinen erhalten drei Chemiker insgesamt 58 Millionen Rubel – Jean-Pierre Sauvage (Frankreich), Sir Fraser Stoddart (USA) und Bernard Feringa (Holland). Das Leben erzählt, was molekulare Maschinen sind und warum ihre Erschaffung eine so renommierte wissenschaftliche Auszeichnung verdient.

Was ist eine Maschine im allgemeinsten Sinne dieses Begriffs? Dies ist ein Gerät, das für bestimmte Vorgänge geschärft wurde und diese "im Austausch" gegen Kraftstoff ausführen kann. Die Maschine kann jedes Objekt drehen, heben oder senken, sie kann sogar als Pumpe arbeiten.

Aber wie klein darf eine solche Maschine sein? Einige Details von Uhrwerken sehen beispielsweise sehr winzig aus – könnte es etwas Kleineres geben? Ja absolut. Physikalische Methoden ermöglichen es, ein Zahnrad mit einem Durchmesser von einigen hundert Atomen zu schneiden. Das ist hunderttausendmal weniger als ein Millimeter, den man vom Schullineal kennt. 1984 fragte Nobelpreisträger Richard Feynman Physiker, wie klein ein Mechanismus mit beweglichen Teilen sein kann.

Inspiriert wurde Feynman von Beispielen aus der Natur: Die Geißeln von Bakterien, die diese winzigen Organismen bewegen lassen, rotieren dank eines Komplexes aus mehreren Proteinmolekülen. Aber kann ein Mensch so etwas erschaffen?

Molekulare Maschinen, die möglicherweise aus nur einem Molekül bestehen, wirken wie etwas aus dem Reich der Fantasie. Tatsächlich haben wir erst vor kurzem gelernt, Atome zu manipulieren (das berühmte IBM-Experiment fand 1989 statt) und mit einzelnen, unbeweglichen Molekülen zu arbeiten. Dafür bauen Physiker riesige Installationen und wenden unglaublichen Aufwand auf. Trotzdem haben Chemiker einen Weg gefunden, sofort eine Trillion solcher Geräte herzustellen. Er war es, der 2016 zum Nobelpreisträger wurde.

Das Hauptproblem bei der Herstellung einer Einzelmolekülmaschine ist die chemische Bindung. Es ist das, was alle Atome eines Moleküls zusammenhält und verhindert, dass es bewegliche Teile hat. Um diesen Widerspruch aufzulösen, "erfanden" Chemiker neuer Typ Kommunikation - mechanisch.

Wie sind mechanisch gebundene Moleküle? Stellen Sie sich ein großes Molekül vor, dessen Atome in einem Ring aufgereiht sind. Wenn wir eine weitere Atomkette hindurchführen und diese ebenfalls zu einem Ring schließen, erhalten wir ein Teilchen, das sich nicht in zwei Ringe teilen lässt, ohne chemische Bindungen aufzubrechen. Es stellt sich heraus, dass diese Ringe aus chemischer Sicht verbunden sind, aber keine echte chemische Bindung zwischen ihnen besteht. Dieses Design wurde übrigens Catenan genannt, aus dem Lateinischen catena- Kette. Der Name spiegelt die Tatsache wider, dass solche Moleküle wie Kettenglieder miteinander verbunden sind.

Der Preisträger aus Frankreich, Jean-Pierre Sauvage, erhielt die Auszeichnung in vielerlei Hinsicht für seine bahnbrechenden Arbeiten zur Synthese von Catenanen. 1983 fand der Wissenschaftler heraus, wie man solche Moleküle gezielt gewinnen kann. Er war nicht der erste, der Catenan synthetisierte, aber die von ihm vorgeschlagene Templatsynthese wird auch in modernen Werken verwendet.

Es gibt eine weitere Klasse mechanisch gebundener Verbindungen, die Rotaxane genannt werden. Die Moleküle solcher Verbindungen bestehen aus einem Ring, durch den eine Kette von Atomen gefädelt ist. An den Enden dieser Kette platzieren Chemiker spezielle "Stöpsel", um zu verhindern, dass der Ring von der Kette rutscht. Sie wurden in diesem Jahr von einem anderen Nobelpreisträger, Sir James Fraser Stoddart, behandelt. Der gebürtige Schotte Stoddart trägt übrigens den Titel eines Ritter-Junggesellen. Für seine Arbeiten zur organischen Synthese wurde er von Königin Elizabeth II. zum Ritter geschlagen. Stoddart arbeitet jedoch jetzt in den USA an der Northwestern University.

In diesen Verbindungsklassen können sich einzelne Fragmente relativ zueinander frei bewegen. Die Catenanringe können sich relativ zueinander frei drehen und der Rotaxanring kann entlang der Kette gleiten. Das macht sie zu guten Kandidaten für die molekularen Maschinen, für die sich Feynman interessierte. Damit diese Strukturen jedoch so genannt werden können, muss von ihnen noch eines erreicht werden - Kontrollierbarkeit.

Speziell dafür nutzten Chemiker die Grundideen der Elektrostatik: Wenn man einen der Ringe auflädt und auf den zweiten Ring (oder die Kette) Fragmente legt, die unter Einfluss äußerer Einflüsse ihre Ladung ändern können, dann kann man den Ring herstellen von einem Bereich des Rings (oder der Kette) abstoßen und zu einem anderen wechseln. In den ersten Experimenten lernten die Wissenschaftler, wie man molekulare Maschinen durch chemische Einflüsse zu ähnlichen Operationen zwingt. Der nächste Schritt war die Verwendung von Licht, elektrischen Impulsen und sogar nur Wärme für die gleichen Zwecke - diese Methoden der "Kraftstoffübertragung" ermöglichten es, die Arbeit von Maschinen zu beschleunigen.

Hervorzuheben ist auch die Arbeit des dritten Preisträgers, Bernard Feringa. Dem niederländischen Chemiker gelang es, auf mechanisch gebundene Moleküle zu verzichten. Stattdessen fand der Wissenschaftler einen Weg, die Moleküle der Verbindung rotieren zu lassen, die traditionelle chemische Bindungen enthalten. 1999 demonstrierte Feringa ein Molekül, das wie zwei miteinander verbundene Klingen aussah. Jede dieser Klingen versuchte, sich voneinander abzustoßen, und ihre asymmetrische Form machte es vorteilhaft, sich nur in eine Richtung zu drehen, als ob sich auf der "Achse" zwischen diesen Klingen eine Ratsche befand.

Damit das Molekül wie ein Rotor funktioniert, genügte es, es mit ultraviolettem Licht zu bestrahlen. Die Klingen begannen sich relativ zueinander in einer genau festgelegten Richtung zu drehen. Später fixierten Chemiker solche Rotormoleküle sogar auf einem (im Vergleich zum Rotor selbst) riesigen Teilchen und zwangen es so zur Rotation. Übrigens kann die Rotationsgeschwindigkeit eines freien Rotors mehrere zehn Millionen Umdrehungen pro Sekunde erreichen.

Mit diesen drei einfachsten Molekülen konnten Chemiker eine Vielzahl von molekularen Maschinen erschaffen. Eines der schönsten Beispiele ist der molekulare "Muskel", eine seltsame Mischung aus Catenan und Rotaxan. Unter chemischen Einflüssen (Zugabe von Kupfersalzen) wird der „Muskel“ um zwei Nanometer reduziert.

Eine andere Variante der molekularen Maschine ist ein "Aufzug" oder Aufzug. Es wurde 2004 von der Stoddart-Gruppe auf Basis von Rotaxanen eingeführt. Das Gerät ermöglicht das Anheben und Absenken der molekularen Plattform um 0,7 Nanometer, wodurch eine "greifbare" Kraft von 10 Picopascal erzeugt wird.

Im Jahr 2011 zeigte Feringa das Konzept einer molekularen "Maschine" mit vier Rotoren, die unter dem Einfluss elektrischer Impulse fahren kann. Die „Nanomaschine“ wurde nicht nur gebaut, sondern auch ihre Leistungsfähigkeit bestätigt: Jede Umdrehung der Rotoren veränderte tatsächlich die Position des Moleküls im Raum geringfügig.

Obwohl diese Geräte unterhaltsam aussehen, darf nicht vergessen werden, dass eine von Nobels Anforderungen an die Preisträger die Bedeutung von Entdeckungen für Wissenschaft und Menschheit war. Teilweise auf die Frage "Warum ist das notwendig?" Bernard Feringa antwortete, als er über die Auszeichnung informiert wurde. Mit solchen gesteuerten molekularen Maschinen, so der Chemiker, sei es möglich, medizinische Nanoroboter zu bauen. "Stellen Sie sich winzige Roboter vor, die Ärzte der Zukunft in Ihre Venen spritzen und sie anweisen können, nach Krebszellen zu suchen." Der Wissenschaftler stellte fest, dass er sich genauso fühlte wie die Wright-Brüder wahrscheinlich nach dem ersten Flug, als die Leute sie fragten, warum sie vielleicht sogar Flugmaschinen brauchten.

Jean-Pierre Sauvage, Bernard Feringa und Fraser Stoddart erhalten den Nobelpreis für Chemie

Bekanntgabe der Nobelpreisträger für Chemie

Moskau. 5. Oktober. site - Den Nobelpreis für Chemie 2016 erhielten Jean-Pierre Sauvage, Bernard Feringa und Fraser Stoddart mit der Formulierung "für das Design und die Synthese molekularer Maschinen".

Sauvage ist ein französischer Chemiker, der sich auf supramolekulare Chemie spezialisiert hat. Es ist ein Gebiet der Chemie, das supramolekulare Strukturen untersucht – Anordnungen von zwei oder mehr Molekülen, die durch intermolekulare Wechselwirkungen zusammengehalten werden. Sauvage war der erste Chemiker, der eine Verbindung aus der Klasse der Catenane synthetisierte. Die Moleküle dieser Stoffe bestehen aus zwei miteinander verbundenen Ringen; Diese Art der Verbindung wird als topologisch bezeichnet und gibt den Standort N + 1 an.

Illustration der sich dehnenden und zusammenziehenden molekularen Schleifenstruktur

Fraser Stoddart, ein schottischer Wissenschaftler, der jetzt in den Vereinigten Staaten arbeitet, erweiterte die Liste der Verbindungen mit ähnlichen "nicht-chemischen" Bindungen durch die Synthese von Rotaxan. Rotaxan-Moleküle bestehen aus einer langen Kette, um die lose ein Ring gelegt ist. Dank der zwei großen Strukturen an den Enden der Kette kann der Ring nicht von der Kette "herunterfallen".

Von Stoddart erzeugter molekularer Transfer, der sich unter Kontrolle entlang einer Achse bewegen kann

Bernard Feringa, Spezialist für molekulare Nanotechnologie und homogene Katalyse, hat als erster Chemiker einen molekularen Motor entwickelt und synthetisiert – ein Molekül, das unter Lichteinfluss strukturelle Veränderungen durchmacht und sich wie ein Windradflügel in eine genau vorgegebene Richtung zu drehen beginnt. Im Jahr 1999 gelang es dem Wissenschaftler mit Hilfe von molekularen Motoren, einen Glaszylinder in Drehung zu versetzen, der das Zehntausendfache der Motorgröße betrug.

Ein Beispiel für eine molekulare Maschine mit vier "Rädern"

Die Nobelpreisträger in derselben Kategorie waren 2015 der in Großbritannien arbeitende Schwede Thomas Lindahl und der in den USA forschende US-Amerikaner Paul Modric sowie der türkischstämmige Wissenschaftler Aziz Sankar. Die Auszeichnung wurde ihm für seine Forschungen zu den Mechanismen der DNA-Reparatur verliehen – der besonderen Funktion von Zellen, nämlich der Fähigkeit, chemische Schäden und Brüche in DNA-Molekülen zu reparieren, die während der normalen Biosynthese oder als Folge von physikalischen oder chemischen Einwirkungen auftreten Agenten.

Nobelpreis für Chemie 2014 an die Amerikaner Eric Betzig und William Moner sowie den Deutschen Stefan Hell für ihre Beiträge zur Entwicklung der ultrahochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie.

Anfang dieser Woche wurden der Nobelpreis für Medizin (von dem japanischen Wissenschaftler Yoshinori Osumi) und der Nobelpreis für Physik (von David Thoules, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz für topologische Phasenübergänge und topologische Phasen der Materie) bekannt gegeben.

Nikolai Semenov (1896-1986) wurde 1956 zusammen mit dem Engländer Cyril Hinshelwood der einzige russische Chemie-Nobelpreisträger für die Erforschung des Mechanismus chemischer Reaktionen.

Der nächste Nobelpreisträger, der Friedenspreisträger, wird am Freitag, 7. Oktober, bekannt gegeben.

Die Nobelpreisträger 2016 erhalten 8 Millionen schwedische Kronen (ca. 931.000 US-Dollar). Die Preisverleihung findet traditionell am 10. Dezember, dem Todestag des Gründers der Nobelpreise, des schwedischen Unternehmers und Erfinders Alfred Nobel (1833-1896), in Stockholm statt.

bemerkt

Preisträger: Franzose Jean-Pierre Sauvage von der Universität Straßburg, gebürtiger Schotte Sir J. Fraser Stoddart von der Northwestern University (Illinois, USA) und Bernard L. Feringa) von der Universität Groningen (Niederlande).

Quelle: pbs.twimg.com

Der Wortlaut der Auszeichnung lautet: "für das Design und die Synthese molekularer Maschinen". Die diesjährigen Preisträger haben zur Miniaturisierung einer Technologie beigetragen, die revolutionär sein könnte. Sauvage, Stoddart und Feringa haben nicht nur Maschinen miniaturisiert, sondern auch der Chemie eine neue Dimension verliehen.

Wissenschaftler haben molekulare Mechanismen geschaffen, die gerichtete Bewegungen ausführen können und somit wie echte Maschinen agieren. Sie können vor allem in verschiedenen Sensoren sowie in der Medizin eingesetzt werden.

Laut einer Pressemitteilung der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften unternahm Professor Jean-Pierre Sauvage 1983 seinen ersten Schritt in Richtung einer molekularen Maschine, als er erfolgreich zwei ringförmige Moleküle zu einer Kette verknüpfte, die als Catenan bekannt ist. Normalerweise sind Moleküle durch starke kovalente Bindungen verbunden, in denen die Atome Elektronen teilen, aber in dieser Kette sind sie durch eine lockerere mechanische Bindung verbunden. Damit eine Maschine eine Aufgabe erfüllen kann, muss sie aus Teilen bestehen, die sich relativ zueinander bewegen können. Zwei verbundene Ringe erfüllen diese Anforderung vollständig.

Den zweiten Schritt unternahm Fraser Stoddart 1991, als er Rotaxan (eine Art Molekülstruktur) entwickelte. Er schnitt einen Molekülring in eine dünne Molekülachse und zeigte, dass sich dieser Ring entlang der Achse bewegen kann. Rotaxane sind die Basis für Entwicklungen wie Molecular Lift, Molecular Muscle und ein auf einem Molekül basierender Computerchip.

Und Bernard Feringa war der erste Mensch, der den molekularen Motor entwickelt hat. 1999 erhielt er ein molekulares Rotorblatt, das sich ständig in eine Richtung dreht. Mit molekularen Motoren drehte er einen Glaszylinder, der zehntausendmal größer war als der Motor, und der Wissenschaftler entwickelte auch ein Nanoauto.

Interessanterweise „glänzten“ die Preisträger von 2016 nicht besonders in den diversen Favoritenlisten, die alljährlich am Vorabend der „Nobelwoche“ erscheinen.

Unter denjenigen, die in diesem Jahr die Auszeichnung in Chemie durch die Medien erhielten, waren zum Beispiel George M. Church und Feng Zhang (beide arbeiten in den USA) – für die Anwendung der CRISPR-cas9 Genome Editing in menschlichen und Mauszellen.

Auf der Favoritenliste stand auch der Hongkonger Wissenschaftler Dennis Lo (Dennis Lo Yukmin) für seine Entdeckung der zellfreien intrauterinen DNA in Festlandplasma, die nicht-invasive pränatale Tests revolutionierte.

Die Namen japanischer Wissenschaftler wurden ebenfalls genannt - Hiroshi Maeda und Yasuhiro Matamura (für die Entdeckung der Wirkung einer erhöhten Permeabilität und Retention von makromolekularen Arzneimitteln, die eine wichtige Erkenntnis für die Behandlung von Krebs ist).

In manchen Quellen konnte man den Namen des in Moskau geborenen Chemikers Alexander Spokoiny finden, der aber nach dem Umzug seiner Familie nach Amerika in den USA lebt und arbeitet. Er wird als "aufgehender Stern der Chemie" bezeichnet. Akademiker Nikolai Semjonow wurde übrigens 1956 der einzige sowjetische Chemie-Nobelpreisträger für die Entwicklung der Theorie der Kettenreaktionen. Die meisten Empfänger dieser Auszeichnung sind Wissenschaftler aus den Vereinigten Staaten. An zweiter Stelle stehen deutsche Wissenschaftler, an dritter Stelle - britische.

Der Preis für Chemie darf wohl als „der nobelste der Nobelpreise“ bezeichnet werden. Schließlich war der Gründer dieses Preises, Alfred Nobel, eben Chemiker, und im Periodensystem der chemischen Elemente steht neben Mendelevium auch das Nobelium.

Über die Vergabe entscheidet die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften. Von 1901 (damals wurde der Niederländer Jacob Hendrik Van't Hoff der erste Preisträger auf dem Gebiet der Chemie) bis 2015 wurde der Nobelpreis für Chemie 107 Mal verliehen. Im Gegensatz zu ähnlichen Auszeichnungen im Bereich Physik oder Medizin wurde er häufiger an einen Preisträger (in 63 Fällen) und nicht an mehrere gleichzeitig verliehen. Gleichzeitig wurden nur vier Frauen Preisträgerinnen in der Chemie – darunter Marie Curie, die auch den Nobelpreis für Physik erhielt, und ihre Tochter Irene Joliot-Curie. Der einzige Mensch, der zweimal den chemischen Nobelpreis erhielt, war Frederic Sanger (1958 und 1980).

Jüngster Preisträger war der 35-jährige Frederic Joliot, der die Auszeichnung 1935 erhielt. Und der Älteste war John B. Fenn, den der Nobelpreis im Alter von 85 Jahren „eingeholt“ hatte.

Letztes Jahr Nobelpreisträger in Chemie, Thomas Lindahl (Großbritannien) und zwei Wissenschaftlern aus den USA - Paul Modric und Aziz Sanchar (gebürtig aus der Türkei). Der Preis wurde ihnen für die "mechanische Forschung zur DNA-Reparatur" verliehen.

Die Nobelpreisträger 2016 für Chemie waren Jean-Pierre Sauvage von der Universität Straßburg (Frankreich), Fraser Stoddart von der Northwestern University (USA) und Bernard Feringa von der Universität Groningen (Holland). Der renommierte Preis wurde „für das Design und die Synthese molekularer Maschinen“ verliehen – einzelne Moleküle oder molekulare Komplexe, die mit Energie von außen bestimmte Bewegungen ausführen können. Die Weiterentwicklung dieses Bereichs verspricht Durchbrüche in vielen Bereichen der Wissenschaft und Medizin.

Das Nobelkomitee zeichnet regelmäßig Werke aus, in denen neben dem wissenschaftlichen Wert noch etwas zusätzlicher Schwung steckt. So zum Beispiel bei der Entdeckung von Graphen durch Geim und Novoselov (siehe Nobelpreis für Physik - 2010, "Elements", 11.10.2010), zusätzlich zur Entdeckung selbst und seiner Verwendung zur Beobachtung des Quanten-Hall-Effekts bei Raumtemperatur , gab es bemerkenswerte technische Details: Graphitschichten mit glattem Klebeband ablösen. Shekhtman, der Quasikristalle entdeckte, hatte eine Geschichte der wissenschaftlichen Konfrontation mit einem anderen angesehenen Adeligen, Pauling, der erklärte, dass "es keine Quasikristalle gibt, aber es gibt Quasi-Wissenschaftler".

Auf dem Gebiet der molekularen Maschinen gibt es auf den ersten Blick keinen solchen Schwung, wenn wir die Tatsache ausschließen, dass einer der Preisträger, Stoddart, eine Ritterschaft hat (er ist nicht der Erste). Aber tatsächlich gibt es ein wichtiges Merkmal. Die Synthese molekularer Maschinen ist fast der einzige Bereich in der akademischen organischen Chemie, der auf molekularer Ebene als reines Engineering bezeichnet werden kann, bei dem Menschen ein Molekül von Grund auf neu entwerfen und nicht ruhen, bis sie es bekommen. In der Natur gibt es natürlich ähnliche Moleküle (so sind einige Proteine ​​organischer Zellen angeordnet - Myosin, Kinesine - oder zum Beispiel Ribosomen), aber von einer solchen Komplexität sind die Menschen noch weit entfernt. Daher sind molekulare Maschinen vorerst von Anfang bis Ende die Frucht des menschlichen Geistes, ohne Versuche, die Natur nachzuahmen oder die beobachteten Naturphänomene zu erklären.

Es handelt sich also um Moleküle, bei denen sich ein Teil kontrolliert relativ zum anderen bewegen kann – in der Regel unter Nutzung von teilweise äußeren Einflüssen und Wärme. Um solche Moleküle zu erzeugen, haben Sauvage, Stoddard und Feringa unterschiedliche Prinzipien entwickelt.

Sauvage und Stoddard stellten mechanisch verbundene Moleküle her: Catenane – zwei oder mehr verbundene Molekülringe, die sich relativ zueinander drehen (Abb. 1), und Rotaxane – zusammengesetzte Moleküle aus zwei Teilen, bei denen sich ein Teil (Ring) entlang des anderen bewegen kann (gerade Basis .) ), die an den Rändern sperrige Gruppen (Stopfen) hat, damit der Ring „nicht wegfliegt“ (Abb. 2).

Unter Verwendung des obigen Konzepts wurden "molekularer Lift", "molekulare Muskeln", verschiedene molekulartopologische Strukturen von theoretischem Interesse und sogar ein künstliches Ribosom geschaffen, das in der Lage ist, sehr langsam kurze Proteine ​​​​zu synthetisieren.

Feringas Ansatz war grundlegend anders und sehr elegant (Abb. 3). Bei Feringas molekularem Motor sind die relativ zueinander rotierenden Molekülteile nicht mechanisch, sondern durch eine echte kovalente Bindung verbunden – eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung. Eine Rotation von Gruppen um eine Doppelbindung ist ohne äußere Einwirkung nicht möglich. Ein solcher Effekt kann die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht sein: Ultraviolettes Licht spaltet im übertragenen Sinne selektiv eine Bindung in eine Doppelbindung auf und ermöglicht so eine Rotation für den Bruchteil einer Sekunde. Dabei ist das Feringa-Molekül in allen Positionen strukturell gespannt und die Doppelbindung verlängert. Das Molekül folgt, wenn es gedreht wird, dem geringsten Widerstand und versucht, die Position mit der geringsten Spannung zu finden. Sie kann dies nicht, aber sie dreht sich in jeder Phase fast ausschließlich in eine Richtung.

Ein ähnlicher Motor mit geringfügigen Modifikationen, wie er 2014 gezeigt wurde, erreicht etwa 12 Millionen Umdrehungen pro Sekunde (J. Vachon et al., 2014. Ein ultraschneller oberflächengebundener photoaktiver molekularer Motor). Die schönste Anwendung des Feringa-Motors wurde in einer „Nanomaschine“ auf einem Goldsubstrat demonstriert (Abb. 4). Vier Motoren, die wie Räder an ein langes Molekül gebunden sind, drehen sich in eine Richtung, und das „Auto“ fährt vorwärts.

Derzeit wird ein molekularer Motor entwickelt, der statt mit UV durch sichtbares Licht aktiviert werden kann. Mit Hilfe eines solchen Motors wird es möglich sein, Sonnenenergie auf völlig beispiellose Weise in mechanische Energie umzuwandeln – unter Umgehung des Stroms.

In seiner jüngsten Arbeit, die in der Zeitschrift der American Chemical Society ( JACS) zeigte Feringa den Entwurf eines Motors, dessen Drehzahl durch chemische Einwirkung gesteuert werden kann, wie in Abb. 5. Beim Hinzufügen eines Effektormoleküls (Metalldichlorid - Zink Zn, Palladium Pd oder Platin Pt) zum molekularen Motor ändert dieser seine Konformation, was die Rotation erleichtert. Messungen haben gezeigt, dass bei 20°C der drei getesteten Effektoren der Motor bei Platin am schnellsten (0,13 Hz), bei Palladium etwas langsamer (0,035 Hz) und bei Zink (0,009 Hz) noch langsamer dreht. Die maximale Drehzahl des Motors ohne Effektor beträgt 0,0041 Hz. Das beobachtete Phänomen wurde durch quantenmechanische Berechnungen von Motorstrukturen mit und ohne Effektoren bestätigt. Die Berechnungen zeigen, wie sich die Konformation ändert und wie viel einfacher die Rotation ist.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass molekulare Motoren noch keine Anwendung im Alltag gefunden haben, aber es ist mit ziemlicher Sicherheit eine Frage der Zeit und in naher Zukunft werden wir ihren aktiven Einsatz sehen.

Quellen:
1) Der Nobelpreis für Chemie 2016 – die offizielle Ankündigung des Nobelkomitees.
2) Molecular Machines - eine detaillierte Übersicht über die Arbeit der Preisträger, die vom Nobelkomitee erstellt wurde.
3) Adele Faulkner, Thomas van Leeuwen, Ben L. Feringa und Sander J. Wezenberg. Allosterische Regulierung der Drehzahl in einem lichtgetriebenen molekularen Motor // Zeitschrift der American Chemical Society... 26. September 2016. V. 138 (41). S. 13597-13603. Doi: 10.1021 / jacs.6b06467.

Grigorij Molev