ماشین‌های مولکولی

مقدمه

«تا چه اندازه کوچک می‌توانید ماشین بسازید؟» این پرسشی بود که ریچارد فاینمن¹ برنده جایزه نوبل فیزیک سال 1965، در آغاز یک سخنرانی در سال 1984 مطرح کرد. او به مخاطبان حاضر در جلسه گفت: «بیایید در مورد ساخت ماشین‌هایی با قطعه‌های بسیار ریز صحبت کنیم».

او باور داشت که می‌توان ماشین‌هایی با ابعاد نانو ساخت که در طبیعت نیز نمونه‌هایی از آن‌ها وجود دارد و تاژک‌های باکتری را مثال زد؛ تاژک‌هایی که با چرخش خود، باکتری را رو به جلو حرکت می‌دهند.

آیا انسان با دستان بزرگ خود می‌تواند ماشین‌هایی آن‌چنان کوچک بسازد که برای دیدن آن‌ها نیاز به میکروسکوپ الکترونی باشد؟

یکی از این راه‌ها، ساختن دستی کوچک‌تر از دست انسان و برابر با ابعاد ماشین است که می‌تواند این ماشین‌ها را بسازد. به گفته فاینمن، این راه امتحان شده بود ولی موفقیت بزرگی نداشت.

هدف از سخنرانی فاینمن، الهام بخشیدن به پژوهشگران بود تا بتوانند محدودیت‌ها را در ساخت این ماشین‌ها کنار بزنند. فاینمن در پایان سخنرانی خود با شیطنت گفت: «اوقات خوبی را در طراحی مجدد ماشین‌آلات مشابه داشته باشید تا ببینید که آیا می‌توانید این کار را انجام دهید یا خیر. 25 تا 30 سال به آن زمان دهید، قطعاً استفاده سودمندی از آن خواهید برد، آن استفاده چیست؟ من نمی‌دانم».

ترکیب‌های کمپلکس؛ نقطه آغاز ماشین‌های مولکولی

بخش چشمگیری از پیشرفت در ماشین‌آلات مولکولی، ریشه در ظهور کمپلکس‌های مولکولی به هم پیوسته دارد. در چنین کمپلکس‌هایی، قطعه‌ها با پیوندهای کووالانسی به هم متصل نیستند، بلکه با پیوندهای مکانیکی به هم متصل شده‌اند و مانند حلقه در یکدیگر قرار دارند. در میانه قرن بیستم، شیمی‌دانان در تلاش بودند زنجیره‌های مولکولی تولید کنند که مولکول‌های حلقه‌ای بتوانند در آن‌ها به هم متصل شوند.

در دهه‌های 50 و 60 میلادی، چند گروه پژوهشی گزارش دادند که توانسته‌اند مولکول‌های زنجیره‌ای تولید کنند ولی مقدار آن بسیار کم و روش تولید بسیار پیچیده بود. پس از سال‌ها، سرانجام در سال 1983 یک گروه فرانسوی، به سرپرستی ژان پیر ساوژ² با استفاده از یون مس موفق به کنترل ساخت این مولکول‌ها شد.

ژان پیر ساوژ در زمینه فوتوشیمی کار می‌کرد. در فوتوشیمی کمپلکس‌های مولکولی ساخته می‌شوند که می‌توانند از انرژی موجود در پرتوهای خورشید برای هدایت واکنش‌های شیمیایی استفاده کنند.

ساوژ مدلی از یکی از این کمپلکس‌های فعال فوتوشیمیایی ساخت و متوجه شد که کمپلکس ساخته‌شده به زنجیره مولکولی شباهت دارد، به این صورت که دو مولکول در اطراف یون مس به هم آویخته شده‌اند، شکل 1.

در پژوهش‌ها و تلاش‌های قبلی برای ایجاد مولکولی مشابه، پژوهشگران توانسته بودند تنها به بازدهی چنددرصدی برسند اما به لطف یون مس، ساوژ به بازده چشمگیر 42 درصد دست یافت.

با این روش انقلابی، شیمی توپولوژی³ ـ بخشی از علم شیمی که در آن معمولاً با استفاده از یون‌های فلزی، کمپلکس‌ها را به‌طور فزاینده‌ای مانند زنجیره یا گره‌های پیچیده به هم پیوند می‌زنند ـ دوباره زنده شد.

ژان پیر ساوژ و جیمز فریزر استودارت⁴ رهبران این زمینه هستند و مولکول‌های پیچیده‌ای را ساخته‌اند، شکل 2.

حال این مولکول‌ها چه ربطی به ماشین‌های مولکولی دارند؟

یک ماشین برای اینکه وظیفه‌ای را انجام دهد باید از چند قسمت تشکیل شده باشد که بتوانند نسبت به یکدیگر حرکت کنند. ساوژ متوجه شد که دو حلقه به هم پیوسته این نیاز را برطرف می‌کند. یعنی دو حلقه به هم پیوسته توانایی حرکت محدود دارند. در سال 1994، گروه ساوژ موفق شد که یک کاتنانی⁸ یا همان مولکول‌های در هم پیچیده را تولید کند که در آن یک حلقه به‌طور کنترل شده دور حلقه دیگر می‌چرخید. هنگامی که انرژی اضافه‌ای به مولکول داده می‌شد، می‌توانست یک دور دیگر بچرخد. این، نخستین ایده ماشین‌های مولکولی غیر بیولوژیکی بود.

پیش از آن یعنی در سال 1991، استودارت و گروهش، یک حلقه باز بدون الکترون و یک محور دارای دو مکان غنی از الکترون ساختند. هنگامی که این دو مولکول در یک محلول قرار گرفتند حلقه بدون الکترون، جذب محور غنی از الکترون شد. در مرحله بعد، دهانه حلقه را بستند تا حلقه روی محور مولکولی باقی بماند. در نتیجه آن‌ها توانستند که یک روتاکسان⁹ ایجاد کنند؛ ساختاری شامل یک مولکول حلقه‌ای، روی محوری مولکولی که به‌صورت مکانیکی به آن متصل شده است.

پس از آن استودارت با دادن گرما به روتاکسان، حلقه را به‌صورت کاملاً کنترل‌شده در محل‌های غنی از الکترون روی محور مولکولی، به عقب و جلو هدایت کرد، شکل 3.

شکل 3.   آ) استودارت، یک مکان انتقال مولکولی ایجاد کرد تا حلقه به‌صورت کنترل‌شده در امتداد محور حرکت کند.

این گروه، یک حلقه بیس ـ پاراکوات سیکلوفن¹⁰ را به محور روتاکسان شامل دو گروه غنی از الکترون بنزیدین¹¹ و دی فنول‌ها وارد کردند. در طی چرخه‌های اکسایش ـ کاهش و یا تغییرات pH، این حلقه با کسب انرژی بین دو مکان غنی از الکترون یعنی بنزیدین و دی فنول‌ها جابه‌جا می‌شود. گروه ساوژ نیز یک کاتنانی طراحی کرد که در آن ترپیریدین¹² و فنانترولین¹³ ساختارهای حلقه‌ای را تشکیل دادند و در مرکز آن‌ها یون Cu⁺ قرار داشت. با کاهش و اکسایش این یون، یکی از این دو حلقه‌ها جابه‌جا می‌شد، شکل 4.

شکل 4 حرکات کنترل‌شده الکتروشیمیایی کاتنان‌ها

از سال 1994، گروه استودارت از روتاکسان‌های مختلفی برای ساخت ماشین‌های مولکولی استفاده کرد. یکی از این مولکول‌ها بالابر مولکولی نام دارد که در سال 2004 ساخته شد، شکل 5. این مولکول می‌تواند با اعمال نیرویی برابر با 200 پیکونیوتون خود را 0/7 نانومتر بالاتر از سطح بیاورد. در سال 2005 نیز ماهیچه مصنوعی ساخته شد که در آن، روتاکسان‌ها با انقباضی در حدود 2/8 نانومتر توانست یک لایه طلای بسیار نازک را خم کند.

شکل 5. بالابر مولکولی استودارت

گروه استودرات همچنین توانست تراشه‌ای رایانه‌ای مبتنی بر کاتنان و روتاکسان بسازد. در این تراشه صدها روتاکسان وجود دارد که توانایی ذخیره 160 کیلوبایت اطلاعات را با ظرفیت 100 گیگابایت بر سانتی‌متر مربع دارد. شاید این مقدار کم باشد اما در مقایسه با تراشه ریزی که امروزه در رایانه‌ها قرار دارد بسیار ریزتر است و ممکن است انقلابی بزرگ در زمینه فناوری اطلاعات ایجاد کند.

ساوژ همچنین پتانسیل روتاکسان‌ها را بررسی کرد. در سال 2000 او موفق شد دو مولکول حلقه‌ای را دور و یا نزدیک کند چنان‌که ساختار الاستیکی از خود نشان دهند. این ساختار شبیه ساختار عضلات انسان است، شکل 6.

این تیم همچنین توانست ساختاری شبیه به یک موتور بسازد که در آن حلقه‌های روتاکسان، به‌طور متناوب در جهت‌های مختلف می‌چرخند.

شکل 6. ساوژ توانست دو مولکول حلقوی با ساختاری مشابه ساختار عضلات انسان را به هم نزدیک و یا دور کند

نخستین موتور مولکولی کنترل‌پذیر

تا این جای کار، ما توانستیم موتورهای مولکولی بسازیم که در جهت‌های مختلفی به‌طور متناوب می‌چرخند اما هدف، تولید موتورهایی با این ویژگی است که بتوانند در یک جهت بچرخند و بتوان آن‌ها را کنترل کرد. در دهه 1990، تلاش‌های مختلفی در این باره صورت گرفت که در نهایت برای نخستین بار، بن فرینگا¹⁴ توانست موتور مولکولی کنترل‌شده‌ای را بسازد.

در سال 1999، نخستین موتور مولکولی با توانایی چرخش در یک جهت توسط بن فرینگا ساخته شد. در حالت عادی، حرکت مولکول‌ها به‌صورت تصادفی است. به‌طور متوسط یک مولکول در حال چرخش، چند بار به سمت راست و چند بار نیز به سمت چپ حرکت می‌کند اما فرینگا مولکولی را طراحی کرد که به‌صورت مکانیکی بتواند در یک جهت خاص بچرخد، شکل 7.

در واقع این موتور از دو بخش مولکولی تشکیل شده است که این دو بخش با پیوند دوگانه به هم متصل هستند.

با تابش یک پالس پرتو فرابنفش، یکی از لبه‌های چرخان، 180 درجه در محور پیوند دوگانه کربن ـ کربن می‌چرخد و مانند چرخ‌دنده‌ای در لبه دیگر قفل می‌شود. با پالس بعدی، لبه چرخان 180 درجه دیگر می‌چرخد و این چرخش بارها در یک جهت ادامه می‌یابد.

این طراحی هوشمندانه از فرینگا، جهشی عظیم در توسعه ماشین‌آلات مولکولی بود. فرینگا و همکارانش مشکل چرخش چند جهتی مولکول‌ها را با این طرح رفع کردند و سال‌های بعد از آن چندین نسل از این‌گونه موتورها طراحی شدند.

به‌عنوان نمونه‌هایی از پیشرفت‌های مرهون این طراحی می‌توان به این موارد اشاره کرد:

• در سال 2014، گروه فرینگا توانست این موتور را بهینه کند و سرعت آن را به 12 میلیون دور بر ثانیه برساند.

• در سال 2011، یک نانوماشین چهارچرخ متحرک ساخته شد؛ یک شاسی مولکولی، چهار موتور را که به‌عنوان چرخ عمل می‌کنند در کنار هم نگه می‌دارد و هنگام چرخش چرخ‌ها یا همان موتورها، اتومبیل از روی سطحی به سمت جلو حرکت می‌کند، شکل 8.

شکل 8. نانو ماشین چهارچرخ فرینگا

• در آزمایشی دیگر، گروه فرینگا با استفاده از موتورهای مولکولی مشابه توانست جسمی به طول 28 میکرومتر (10 هزار برابر بزرگ‌تر از موتورهای مولکولی) را بچرخاند. در این آزمایش، آن‌ها موتورها را در یک بلور مایع قرار دادند به‌طوری‌که یک درصد از سامانه، موتورهای مولکولی را شامل می‌شد. هنگامی که پژوهشگران موتورها را چرخاندند، متوجه شدند که با چرخش موتورها، ساختار بلور مایع تغییر می‌کند. آنان جسمی را بالای بلورمایع گذاشتند و مشاهده کردند که آن جسم به‌دلیل حرکت موتورها می‌چرخد، شکل 9.

شکل 9

آ) ساختار موتور،

ب) بافت چندضلعی یک فیلم بلوری آلاییده شده با موتور مولکولی،

پ) میله شیشه‌ای با تابش نور فرابنفش، روی بلورمایع می‌چرخد. هر عکس از چپ به راست با فواصل 15 ثانیه‌ای گرفته شده است.

نتیجه‌گیری

تمام این رویدادها، از اوایل دهه 1980 جایی که ساوژ، استودارت و فرینگا، پیوند مکانیکی و چرخش یک‌جهتی را در ماشین‌های مولکولی ابداع کردند، آغاز شده است. به همین خاطر، این سه دانشمند، جایزه نوبل شیمی سال 2016 را برای طراحی و ساخت ماشین‌های مولکولی از آن خود کردند. در طول این سال‌ها و تا امروز، ساخت ماشین‌ها و اکتشافات بسیاری صورت گرفته است اما کارهای این سه نفر منجر شد تا پژوهشگران سراسر جهان، از این مولکول‌ها به‌عنوان جعبه‌ابزار شیمیایی استفاده کنند. یکی از بارزترین این نمونه‌ها، ساخت روبات مولکولی بر پایه روتاکسان است که می‌تواند آمینواسیدها را به هم متصل کند. اکنون با گذشت حدود 37 سال از سخنرانی فاینمن، ما توانایی پاسخ به پرسش او با این مضمون «تا چه اندازه کوچک می‌توانید ماشین بسازید؟» را داریم؛ پاسخ ما هم‌اکنون این است: حداقل 1000 برابر باریک‌تر از یک تار مو.

پی‌نوشت‌ها

1. Feynman, R.

2. Sauvage, J. P.

3. Topological chemistry

4. Stoddart, J.F.

5. Trefoil knot

6. borromean rings

7. Solomon’s wisdom

8. Catenane

9. Rotaxane

10. Bis-paraquat cyclophane

11. benzidine

12. Terpyridine

13. phenanthroline

14. Feringa, B.

منابع

1. www.nobelprize.org/uploads/2018/06/popular-chemistryprize2016-1.pdf

2. www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-chemistryprize2016-1.pdf

3. www.nature.com/articles/440163a#MOESM1