Je to naplnením sna prof. Richarda Feynmana, že raz bude možné konštruovať veľmi malé funkčné stroje. Takto vidí udelenie nominácie na Nobelovu cenu v kategórii chémia Ing. Ján Tkáč, DrSc., vedecko-výskumný pracovník Oddelenia glykobiotechnológií Chemického ústav zo Slovenskej akadémie vied.
V stredu 5. 10. 2016 bolo oznámené, že Nobelovu cenu za chémiu získajú traja vedci, ktorí dokážu vyrobiť stroje z molekúl. Ich mená sú Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart a Bernard L. Feringa. Cenu vyhlásila Kráľovská švédska akadémia (The Royal Swedish Academy of Sciences).
Slávnostné odovzdanie ceny prebehne 10. decembra 2016 v Štokholme, na výročie úmrtia Alfreda Nobela.
Komisia ocenila najmä fakt, že miniatúrne prístroje týchto vedcov otvárajú cestu k niečomu, čo možno zatiaľ vidieť len v SCI‑FI filmoch, a síce miniatúrnym robotom, teda nanorobotom, ktoré zvládnu prácu, na ktorú súčasné technológie nestačia. Ide napríklad o miniatúrny motor, nanoauto či mikroskopický molekulárny výťah – stroje tisíckrát menšie ako ľudský vlas. Boli vyrobené vďaka tomu, že vedci vyvinuli molekuly s kontrolovateľnými pohybmi a dokázali tiež prepojiť tieto molekuly mechanicky. Molekuly tak za podmienky, že sa im pridáva energia, môžu vykonávať zadané úlohy.
Prelomové práce
„Vývoj výpočtovej techniky ukazuje, ako miniaturizácia technológie môže viesť k revolúcii. Laureáti Nobelovej ceny za chémiu v roku 2016 majú miniaturizované ´stroje´ a vzali chémiu do novej dimenzie,“ uviedla na webe vo svojom stanovisku Kráľovská švédska akadémia.
„Sú to skutočne prelomové práce, ktoré ukazujú, čoho sme momentálne schopní, čo sa týka miniaturizácie pri konštrukcii funkčných zariadení,“ komentuje zisk tohto najprestížnejšieho vedeckého ocenenia na svete Ing. Ján Tkáč, DrSc. Pre neho osobne je konštrukcia molekulového výťahu, molekulového auta s pohonom štyroch kolies, molekulovej pumpy či molekulového „svalového“ vlákna alebo molekulového motora naplnením sna prof. Richarda Feynmana. Ten už niečo podobné načrtol vo svojej známej prednáške „Tam dolu je ešte dosť miesta“ (z angl. „Plenty of Room at the Bottom“).
Náš významný vedecko-výskumný pracovník Chemického ústavu SAV si myslí, že udelenie Nobelovej ceny automaticky znamená zvýšený záujem odbornej komunity u nás i v zahraničí o danú problematiku. „Je možné predpokladať, že mnohé vedecké tímy sa vydajú na cestu vylepšenia konštrukčných riešení alebo možnosti vývoja k nejakým praktickým aplikáciám. Keďže tieto objavy sú v oblasti organickej chémie, ktorá má na Slovensku veľmi silné postavenie, je možné očakávať, že bude inšpiráciou pre viaceré vedecké tímy,“ hovorí Ing. Ján Tkáč, DrSc.
Tri kroky k jednému výsledku
Prvým krokom na ceste za objavom molekulárneho stroja bolo, že Jean-Pierrovi Sauvageovi sa v roku 1983 podarilo prepojiť dve prstencové molekuly dohromady do tvaru reťazca, nazvaného „catenane“. Za normálnych okolností bývajú molekuly spojené silnými kovalentnými väzbami, v ktorom atómy si delia elektróny, ale tieto boli v reťazci namiesto toho spojené voľnou mechanickou väzbou. Aby stroj mohol vykonať úlohu, musí pozostávať z častí, ktoré sa môžu pohybovať vzájomne voči sebe. Tieto dva prepletené kruhy splnili presne túto požiadavku.
Ďalšou významnou métou bolo, keď Fraser Stoddart v roku 1991 vyvinul princíp rotácie – „rotaxane“. Nasadil molekulový kruh na tenkú molekulovú os a preukázal, že kruh je schopný pohybovať sa pozdĺž osi. Na základe jeho princípu rotácie sú postavené také objavy ako molekulárny výťah, molekulárny sval a na molekulách založený počítačový čip.
No a Bernard Feringa bol zas prvým človekom, ktorý vyvinul molekulárny motor. V roku 1999 sa mu podarilo dostať nôž molekulárneho rotora do stavu, že sa točí neustále v rovnakom smere. Pomocou molekulárnych motorov roztočil sklenený valec, ktorý je 10.000 krát väčší než samotný motor, tiež navrhol nanoauto.
Ocenení Nobelovou cenou za chémiu 2016
Jean-PierreSauvage
University of Strasbourg, France
Sir J. Fraser Stoddart
Northwestern University, Evanston, IL, USA
Bernard L. Feringa
University of Groningen, the Netherlands
„Laureáti Nobelovej ceny za chémiu 2016 dostali molekulárne systémy z patovej situácie a preniesli ich do stavu, v ktorom za pomoci energie môže byť ich pohyb kontrolovaný. Z hľadiska vývoja sa molekulárny motor dostal do rovnakej fázy, v akej bol elektrický motor v roku 1830, kedy vedci vytvorili rôzne páky, kľučky a kolesá, nevediac pritom, že to bude viesť k elektrickým vlakom, práčkam, ventilátorom či kuchynským robotom. Molekulárne stroje budú s najväčšou pravdepodobnosťou použité pri vývoji mnohých vecí, ako sú nové materiály, senzory a systémy skladovania energie,“ uvádza Kráľovská švédska akadémia.
Príliš malé stroje
Pracovať na úplne novom smere výskumu je vždy veľmi náročné, konštatuje Ing. Ján Tkáč, DrSc., kvôli tomu, že nie každá skvelá myšlienka sa dá zrealizovať. „Je to dané tým, aká infraštruktúra je k dispozícii na charakterizáciu jednotlivých čiastočných krokov alebo jednoducho je príroda proti nám a niektoré syntetické kroky nie je možné urobiť vôbec.“ Podľa neho je veľmi ťažké odhadnúť, aký prínos bude mať vedecká práca trojice ocenených,čo pripustil i výbor, ktorý na túto cenu nominoval. „Ale kto z ľudí pred 100 rokmi tušil, akú „revolúciu“ v našej spoločnosti spôsobí elektrina. Osobne si myslím, že tieto malé stroje sú príliš malé (veľkosť niekoľko nanometrov – 1 nm je miliónkrát menšia jednotka veľkosti ako milimeter) na to, aby sa dali zmysluplne využiť.“
Väčší priestor osobne vidí pre stroje väčších rozmerov, akými sú podľa neho mikrorakety. „Tu je veľkosť niekoľko mikrometrov, čo je už porovnateľné s priemerom ľudského vlasu. Sú schopné samostatne sa pohybovať a s využitím biomolekúl špecificky naviazať konkrétny náklad a v mieste doručenia zmenou podmienok tento náklad vyložiť. Tým sa dostávame k mikrorobotom, ktoré by v našom tele mohli plniť rôzne špeciálne funkcie.“
Ako a kam ďalej?
Ing. Ján Tkáč, DrSc. je presvedčený, že Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart a Bernard L. Feringa by mali pokračovať vo vývoji a konštrukcii nanorobotov s rozmermi niekde medzi súčasnými molekulovými strojmi a mikroraketami, aby mohli fungovať napríklad aj v krvnom riečisku. „Preto očakávam, že značné úsilie v budúcnosti bude smerovať k príprave malých strojov, ktoré sa budú veľkosťou blížiť molekulárnym strojom, budú však na svoje špecifické pôsobenie využívať biomolekuly, ako napr. protilátky na špecifické vyhľadávanie poškodených buniek.“ Rovnako podľa neho budú môcť tieto malé stroje „prevážať“ vo svojom vnútri liečivá, ktoré alebo bunke pomôžu (v prípade infekcie) alebo ju zničia (v prípade rakovinového procesu). „Na zabezpečenie pohonu bude slúžiť cukor v krvi (glukóza) bez nutnosti používať batérie či dodávať energiu zvonka.“
Bolo by možné na niečom podobnom spolupracovať aj u nás na Slovensku, znie otázka v závere? Prečo nie, myslí si Ing. Ján Tkáč, DrSc., len zrejme nie v krátkom časovom horizonte, keďže podľa dostupných informácií sa zatiaľ nik na Slovensku podobnými systémami a syntézami nezaoberá. „Keďže prvotný objav prišiel už v roku 1983, pomyselný vlak už ušiel značnú vzdialenosť a dobehnúť ho nebude také jednoduché. Pracovať na špičkových veciach si vyžaduje systematickú a dlhodobú prácu, čo potvrdzuje i fakt, že Nobelistami sú často krát žiaci Nobelistov,“ uzatvára náš vedecko-výskumný pracovník Chemického ústavu SAV.
Spracovala: Slávka Habrmanová, NCP VaT pri CVTI SR
Zdroj: http://www.kva.se/en/pressroom/
komentár Ing. Ján Tkáč, DrSc.
Foto: http://www.kva.se/en/pressroom/2016
Uverejnila: ZVČ