Maszyna wielkości kilku atomów. Sztuczne silniczki są mniejsze niż wirusy

Największe zaskoczenie? Te mikroskopijne silniczki są znacznie prostsze od swoich naturalnych odpowiedników, a mimo to potrafią działać z wydajnością przewyższającą niektóre rozwiązania stworzone przez ewolucję.

To może być ważny krok w rozwoju nanotechnologii, czyli dziedziny zajmującej się projektowaniem urządzeń działających na poziomie pojedynczych cząsteczek.

Choć obecnie takie konstrukcje nie napędzą jeszcze samochodu ani nie wyprodukują energii elektrycznej na skalę przemysłową, w przyszłości mogą znaleźć zastosowanie między innymi w chemii, medycynie, ochronie klimatu czy tworzeniu nowych materiałów. Odkrycie, opublikowane w magazynie Nature, opisuje serwis Nauka w Polsce.

W ludzkim organizmie każdego dnia pracują miliardy maleńkich maszyn, których nie jesteśmy w stanie zobaczyć nawet pod zwykłym mikroskopem. To białka, które wykonują precyzyjne ruchy i dzięki temu umożliwiają funkcjonowanie komórek.

Przykładem są kinezyny, specjalne białkowe transportery, które poruszają się po mikroskopijnych szlakach wewnątrz komórek i przewożą różnego rodzaju ładunki. Inne molekularne mechanizmy odpowiadają za pracę mięśni. Pojedynczy ruch jednej cząsteczki jest niewidoczny, ale miliardy takich ruchów razem pozwalają człowiekowi poruszyć ręką czy nogą.

Jednym z najważniejszych naturalnych silników jest syntaza ATP. To ogromna molekularna maszyna znajdująca się w komórkach, która działa trochę jak mikroskopijna ładowarka. Obracając się, produkuje cząsteczki ATP, podstawowe źródło energii dla organizmu.

Przyroda zna jednak także prostszy sposób wykorzystania energii. W oku człowieka znajduje się retinal, cząsteczka odpowiedzialna za pierwszy etap procesu widzenia. Pod wpływem światła zmienia swój kształt, uruchamiając reakcję prowadzącą do powstania sygnału nerwowego. To właśnie ten mechanizm zainspirował naukowców do stworzenia sztucznych odpowiedników.

Nowe konstrukcje opracowane przez naukowców to tak zwane molekularne silniczki. W przeciwieństwie do dużych maszyn znanych z codziennego życia nie mają one przekładni, kół czy tłoków. Ich działanie opiera się na zmianach kształtu pojedynczych cząsteczek.

Najprościej można je porównać do maleńkiej śruby napędowej. Pod wpływem światła jedna część cząsteczki wykonuje względem drugiej kontrolowany, jednokierunkowy obrót. Pojedynczy silniczek jest niewyobrażalnie mały – składa się zaledwie z kilkunastu atomów węgla.

To właśnie rozmiar jest jednym z największych osiągnięć tego rozwiązania. Naturalne maszyny molekularne, takie jak syntaza ATP, są zbudowane z tysięcy atomów i powstawały w wyniku milionów lat ewolucji. Chemicy stworzyli natomiast znacznie prostsze konstrukcje, które wykonują podobne zadania.

Jak wyjaśnił dr Wojciech Danowski z UW, sztuczne silniczki działają według podobnej zasady jak biologiczne odpowiedniki , zamieniają dostarczoną energię na ruch mechaniczny. Różnica polega na tym, że naukowcy mogą je projektować od podstaw i modyfikować ich właściwości.

Jednym z największych problemów wcześniejszych sztucznych silników molekularnych było źródło energii. Wiele z nich wymagało światła ultrafioletowego, laserów albo specjalnych diod LED. Takie rozwiązania są trudne do zastosowania w praktyce, szczególnie w środowisku biologicznym.

Nowa generacja nanosilników działa natomiast pod wpływem zwykłego światła widzialnego, takiego, jakie dociera do nas ze Słońca. Oznacza to, że do ich uruchomienia nie potrzeba skomplikowanego sprzętu ani dodatkowego źródła energii.

Naukowcy osiągnęli przy tym bardzo wysoką sprawność procesu. W badanych układach udało się uzyskać wydajność reakcji chemicznych sięgającą około 80 procent. Dla porównania naturalny mechanizm wykorzystujący retinal w ludzkim oku działa ze sprawnością około 67 procent.

Oznacza to, że pod tym względem sztuczne rozwiązania zaczęły przewyższać niektóre mechanizmy stworzone przez naturę. Badacze uważają jednak, że to jeszcze nie koniec i w przyszłości możliwe może być osiągnięcie niemal stuprocentowej skuteczności.

Na razie nie należy oczekiwać, że molekularne silniczki zastąpią panele fotowoltaiczne albo staną się nowym źródłem prądu. Jak podkreśla dr Danowski, wykorzystanie ich bezpośrednio w energetyce jest obecnie poza możliwościami technologii.

Potencjalne zastosowania mogą jednak okazać się znacznie bardziej wyspecjalizowane. Jednym z pomysłów jest wykorzystanie takich maszyn do tworzenia nowych materiałów pochłaniających dwutlenek węgla.

Możliwe są także zastosowania w medycynie i biotechnologii. Miniaturowe maszyny działające na poziomie pojedynczych cząsteczek mogą w przyszłości służyć jako elementy inteligentnych leków, systemów dostarczania substancji aktywnych albo nowych materiałów reagujących na określone bodźce.

Największe znaczenie tego odkrycia nie polega dziś na konkretnym urządzeniu, które można od razu wykorzystać. Chodzi przede wszystkim o pokazanie, że człowiek potrafi tworzyć niezwykle skomplikowane mechanizmy z bardzo prostych elementów.

Przez miliony lat natura budowała molekularne maszyny metodą prób i błędów. Chemicy mogą dziś projektować je znacznie szybciej, wykorzystując wiedzę o budowie atomów i właściwościach cząsteczek.

Sztuczne silniczki molekularne pokazują, że granica między chemią a inżynierią maszyn staje się coraz mniej wyraźna. Być może w przyszłości właśnie takie niewidoczne dla oka konstrukcje będą odpowiadały za nowe technologie, których dziś jeszcze nie potrafimy sobie wyobrazić.

Główna ilustracja wygenerowana przy pomocy Google Gemini.