Molekylære motorer:Effekt meget mindre end forventet?

En innovativ målemetode blev brugt ved Institut for Fysisk Kemi ved det Polske Videnskabsakademi i Warszawa til at estimere effekt genereret af motorer af enkelt molekyle i størrelse, kun bestående af et par snesevis af atomer. Resultaterne af undersøgelsen er af afgørende betydning for konstruktionen af ​​fremtidige nanometermaskiner – og de indgyder ikke optimisme.

Nanomaskiner er fremtidens enheder. Sammensat af et meget lille antal atomer, de ville være i størrelsesordenen milliardtedel dele af en meter. Konstruktion af effektive nanomaskiner ville højst sandsynligt føre til endnu en civilisationsrevolution. Det er derfor, forskere rundt om i verden ser på forskellige molekyler, der forsøger at sætte dem i mekanisk arbejde.

Forskere fra Institut for Fysisk Kemi ved Det Polske Videnskabsakademi (IPC PAS) i Warszawa var blandt de første til at have målt effektiviteten af ​​molekylære maskiner, der består af et par dusin af atomer. "Alt peger på troen på, at kraften af ​​motorer sammensat af enkelt, relativt små molekyler er betydeligt mindre end forventet", siger Dr. Andrzej ?ywoci?ski fra IPC PAS, en af ​​medforfatterne til papiret udgivet i Nanoskala tidsskrift.

Molekylære motorer studeret ved IPC PAS er molekyler af smektiske C*-type flydende krystaller, sammensat af nogle få snesevis af atomer (hvert molekyle er 2,8 nanometer langt). Efter aflejring på overfladen af ​​vand, molekylerne, under passende forhold, danner spontant det tyndest mulige lag – et monomolekylært lag med specifik struktur og egenskaber. Hvert flydende krystalmolekyle er sammensat af en kæde med dens hydrofile terminal forankret på vandoverfladen. En forholdsvis lang, skrå hydrofob del stikker ud over overfladen. Så, monomolekylært lag ligner en skov med træer, der vokser i en bestemt vinkel. Den frie terminal af hver kæde omfatter to på tværs arrangerede grupper af atomer med forskellige størrelser, danner en to-bladet propel med blade af forskellig længde. Når fordampende vandmolekyler rammer "propellerne", hele kæden begynder at rotere omkring sit "anker" på grund af asymmetri.

Specifikke egenskaber ved flydende krystaller og eksperimentets betingelser giver anledning til en i-fase bevægelse af tilstødende molekyler i monolaget. Det anslås, at "skovområder" på op til en billion (10^12) molekyler, danner områder af millimeterstørrelse på vandoverfladen, er i stand til at synkronisere deres rotationer. "I øvrigt, de molekyler, vi undersøgte, roterede meget langsomt. En rotation kan være så lang som et par sekunder op til et par minutter. Dette er en meget ønsket ejendom. Ville molekylerne rotere med, for eksempel, megahertz frekvenser, deres energi kunne næsten ikke overføres til større genstande", forklarer Dr. ?ywoci?ski.

Tidligere effektestimater for molekylære nanomotorer var enten relateret til meget større molekyler, eller til motorer drevet af kemiske reaktioner. Ud over, disse estimater tog ikke højde for modstanden af ​​mediet, hvor molekylerne arbejdede.

Gratis, Kollektive rotationer af flydende krystalmolekyler på overfladen af ​​vand kan let observeres og måles. Forskere fra IPC PAS kontrollerede, hvordan rotationshastigheden ændrer sig som funktion af temperaturen; de estimerede også ændringer i (rotations)viskositet i det undersøgte system. Det viste sig, at energien af ​​enkelt molekyle bevægelse genereret under en rotation er meget lav:kun 3,5·10^-28 joule. Denne værdi er så mange som ti millioner gange lavere end den termiske bevægelsesenergi.

"Vores målinger er en spand koldt vand til designere af molekylære nanomaskiner", bemærker prof. Robert Ho?yst (IPC PAS).

På trods af lav effekt, roterende flydende krystalmolekyler kan finde praktiske anvendelser. Dette skyldes, at et stort ensemble af kollektivt roterende molekyler genererer en tilsvarende højere kraft. I øvrigt, en enkelt kvadratcentimeter af vandoverfladen kan rumme mange sådanne ensembler med trillioner af molekyler hver.

Den samme forskning på IPC PAS omfattede også en sammenligning af strøm genereret af roterende molekyler af flydende krystaller med kraften fra en enkelt biologisk motor - et meget stort molekyle kendt som adenosintriphosphatase (ATPase). Enzymet spiller en rolle som natrium-kalium-pumpe i dyreceller. Med passende beregninger blev det estimeret, at tætheden af ​​energi genereret i en volumenenhed var omkring 100, 000 gange højere for ATPase end for roterende flydende krystaller.

"Det tog millioner af år for evolutionen at udvikle en så effektiv molekylær pumpe. Vi, mennesker, har arbejdet med molekylære maskiner i et par eller måske kun et dusin af år", kommenterer prof. Ho?yst og tilføjer:"Giv os lige lidt tid".