מי ייסע במכונית מולקולרית? – כיצד מולקולות הופכות למכונות – חלק א’

פרס נובל בכימיה לשנת 2016 מוענק לז’אן פייר סוואג’ (Jean-Pierre Sauvage), לג’יימס פרייזר ולברנארד פרינגה על הפיתוח שלהם של מכונות מולקולאריות הזעירות פי אלפי מונים מגודל שיערה. זהו הסיפור אודות ההצלחה שלהם בחיבור מולקולות יחדיו ליצירת מכונות מולקולאריות כדוגמת מעלית זעירה, מנועים ואפילו שרירים מלאכותיים.

עד כמה ניתן למזער מכונה פועלת? זוהי השאלה ששאל חתן פרס הנובל ריצ’רד פיינמן, שקיבל את פרסומו הרב בזכות החיזוי שלו משנות החמישים של המאה הקודמת אודות ההתפתחות של תחום הננוטכנולוגיה, שאלה שהועלתה בהרצאה המהפכנית שלו בשנת 1984. יחף, בלבשו חולצת פולו וורודה ומכנסיים בצבע בז’, הוא פנה אל הקהל ושאל: “עכשיו נדבר על האפשרות של ייצור מכונות הכוללות חלקים נעים שתהיינה זעירות במיוחד.”

הוא היה בטוח שניתן לבנות מכונות בקנה מידה של ננומטרים. מכונות כאלו כבר קיימות בטבע. הוא הביא את הדוגמה של שוטוני החיידק, מולקולות דמויות חולץ פקקים, שבעת הסיבוב שלהן הן מאפשרות לחיידק לנוע קדימה. אולם, האם בני אדם – בעזרת הידיים הגדולות שלהן – יוכלו לבנות מכונות כה קטנות עד שתצטרך מיקרוסקופ בכדי לראות אותן?

חזון עתידי – מכונות מולקולאריות יגיעו בתוך 30-25 שנים

אחת מהדרכים האפשריות תהיה לבנות זוג של ידיים מכאניות שתהיינה קטנות יותר מהידיים שלנו, שבתורן יאפשרו בנייה של זוג ידיים קטנות עוד יותר, וכן הלאה. אפשרות זו נחקרה, אולם ללא הצלחה רבה, אומר פיינמן.

אסטרטגיה נוספת, שבה פיינמן מאמין יותר, תהיה לבנות את המכונה מלמטה-למעלה. ברעיון התיאורטי הזה שלו, חומרים שונים, כגון סיליקון, ירוססו על גבי משטח, שכבת אטומים אחת לאחר השנייה. לאחר מכן, חלק מהשכבות יעברו המסה חלקית ויורחקו, תוך יצירה של חלקים נעים שבהם ניתן לשלוט בעזרת זרם חשמלי. לפי חזונו של פיינמן, מערך כזה יוכל לשמש ליצירת צמצם אופטי עבור מצלמה זעירה.

התכלית של ההרצאה הייתה לתת השראה לחוקרים מקרב הקהל, ולאפשר להם לבחון את מגבלות האפשר. כאשר פיינמן קיפל בסוף ההרצאה שלו את ניירותיו, הוא הביט בקהל ואמר, בטון שובבני: “שיהיה לכם מחקר נפלא בתכנון סוגים שונים של מכונות מוכרות, נראה אם תצליחו. ותשקיעו בזה 30-25 שנים, אז יהיה להן שימוש מעשי. מה זה יהיה, אני לא יודע”. מה שגם פיינמן וגם מי מבין החוקרים שבקהל לא ידעו באותו זמן, הוא שהצעד הראשון לעבר פיתוחן של מכונות מולקולאריות כבר נעשה, אלא שבדרך קצת שונה ממה שחזה פיינמן.

מולקולות משולבות בתור מכונות

באמצע המאה העשרים, כחלק מהמאמץ לפתח מולקולות מתקדמות יותר ויותר, כימאים ניסו לייצר שרשראות מולקולאריות שכללו מולקולות טבעתיות הקשורות זו לזו. החוקר שיצליח בכך לא רק ייצר מולקולה חדשה ומדהימה, אלא גם סוג חדש של קשר כימי. באופן רגיל, מולקולות מחוברות יחדיו על ידי קשרים קוולנטיים חזקים שבהם האטומים חולקים באלקטרונים משותפים. החזון היה ליצור במקום זאת קשרים מכאניים, שבהם המולקולות משולבות יחדיו מבלי שהאטומים מגיבים ישירות אחד עם השני (איור 1).

בשנות החמישים והשישים מספר קבוצות מחקר דיווחו כי מבחנות הניסוי שלהם הכילו שרשראות מולקולאריות, אולם הכמויות שהם סנתזו היו מועטות והשיטות היו כה מורכבות שהשימוש בהן היה מוגבל במיוחד. התקדמות בתחום זה נחשבה בזמנו יותר בתור סקרנות מדעית גרידא מאשר כימיה יישומית. לאחר שנים של מכשולים שונים, חוקרים רבים הרימו ידיים בתחום זה ובתחילת שנות השמונים התחום כולו נשחק כמעט לחלוטין. אולם, פריצת הדרך החשובה הגיעה בשנת 1983. בעזרת יון נחושת רגיל, קבוצת מחקר מצרפת, בראשותו של ז’אן פייר סוואג’ (Jean-Pierre Sauvage), הצליחה להשתלט על המולקולה.

ז’אן פייר סוואג’ מצליח לאגד מולקולות מסביב ליון נחושת

כפי שקורה לעיתים קרובות במחקר, ההשראה הגיעה מתחום אחר לחלוטין. ז’אן פייר סוואג’ עבד בתחום של פוטוכימיה, שבה כימאים מפתחים תצמידים מולקולאריים המסוגלים ללכוד את האנרגיה האצורה בקרני השמש ולנצל אותה להנעת תגובות כימיות. כאשר ז’אן פייר סוואג’ בנה מודל של אחד מהתצמידים הפוטוכימיים הפעילים הללו, הוא ראה לפתע את הדמיון של המבנה לשרשרת מולקולארית: שתי מולקולות שהשתלבו אחת בשנייה מסביב ליון נחושת.

תובנה זו הובילה למהפך דרמטי בתחומי המחקר של ז’אן פייר סוואג’. בעזרת התצמיד הפוטוכימי כמודל, קבוצת המחקר שלו סינתזה מולקולה אחת בצורת טבעת ומולקולה שנייה בצורת סהרון (חצי סהר) כך ששתיהן נמשכו ליון הנחושת (איור 1); יון הנחושת סיפק סוג של כוח הדבקה שהחזיק את המולקולות יחדיו. בשלב שני, הקבוצה השתמשה בחומר כימי על מנת למזג יחדיו את מולקולת הסהרון עם מולקולה שלישית ליצירת טבעת חדשה, ותוך כדי כך ליצור את הקשר הראשון בשרשרת. בשלב הבא החוקרים הרחיקו את יון הנחושת אשר שירת את מטרתו.

כימאים מתייחסים לניצולת של התגובה: אחוז מולקולות המגיבים שמולידות את מולקולת המטרה, התוצר. במסגרת הניסיונות הקודמים ליצור מולקולות בצורת שרשראות, החוקרים השיגו, במקרה הטוב ביותר, מספר אחוזים בודדים של ניצולת. הודות ליון הנחושת, סוואג’ הצליח להגדיל את הניצולת לערך מרשים של 42%. לפתע פתאום, שרשראות מולקולאריות היו יותר מסתם עניין לסקרנים.

בעזרת השיטה המהפכנית שלו, סוואג’ החיה מחדש את התחום של כימיה טופולוגית שבמסגרתה חוקרים – שלרוב עושים שימוש ביוני מתכת – משלבים יחדיו מולקולות שונות במבנים מורכבים יותר ויותר, החל משרשראות ארוכות ועד מקבצים מורכבים. ז’אן פייר סוואג’ וג’יימס פרייזר סטודארט מובילים בתחום זה וקבוצות המחקר שלהם יצרו גרסאות מולקולאריות של סמלים תרבותיים כגון קשר תלתן, קשר שלמה וטבעות בורומין (איור 2).

הצעדים הראשונים לפיתוח של מנוע מולקולארי

ז’אן פייר-סוואג’ הבין עד מהרה כי שרשראות מולקולאריות (ששמן קטאננים, catenanes, מהמילה הלטינית לשרשרת, catena) לא מהוות רק משפחה חדשה של מולקולות, אלא שהוא גם התחיל את הצעד הראשון ליצירתן של מכונות מולקולאריות. בכדי שמכונה תבצע את מטלותיה, עליה להכיל מספר חלקים היכולים לנוע. שתי הטבעות המשולבות ממלאות את הדרישה הזו. בשנת 1994, קבוצת המחקר של ז’אן פייר-סוואג’ גם הצליחה לסנתז קטאנן שבו טבעת אחת חגה, באופן מבוקר, מסביב לטבעת השנייה לאחר הוספת אנרגיה למערכת. מולקולה זו הייתה העובר הראשון של מכונות מולקולאריות שאינן ביולוגיות.

העובר השני של מכונות מולקולאריות נוצר על ידי כימאי שגדל בחווה חקלאית בסקוטלנד שלא היו בה חשמל או מוצרי נוחות מודרניים.

פרייזר סטודארט משחיל טבעת מולקולארית בתוך מוט מולקולארי

בתור ילד, פרייזר סטודארט לא צפה בטלוויזיה או השתמש במחשב. במקום זאת, הוא העסיק את עצמו בבניית תצרפים, כישרון שבהחלט יכול לסייע לכימאי: הכרת צורות וההבנה כיצד הן יכולות להשתלב יחדיו. הוא נמשך לכימיה גם מתוך הרצון שלו להפוך לאמן מולקולארי – פיסול צורות חדשות, כאלו שהאנושות לא ראתה מעולם.

כאשר פרייזר סטודארט פיתח את אחת מהיצירות המולקולאריות שלו המהוות את הבסיס לפרס הנובל בכימיה לשנת 2016, הוא גם ניצל את יכולתה של הכימיה לתכנן מולקולות הנמשכות אחת לשנייה. בשנת 1991, קבוצת המחקר שלו סנתזה טבעת פתוחה חסרת אלקטרונים, וכן מוט ארוך, או סרן, בעל מבנים עתירי אלקטרונים בשני מקומות (איור 3). כאשר שתי המולקולות נפגשו בתמיסה, המבנה החסר אלקטרונים נמשך למבנה העתיר באלקטרונים, וכך המוט הושחל לתוך הטבעת. בשלב הבא, קבוצת המחקר סגרה את הפתח שבטבעת וכך היא נותרה מושחלת במוט. באופן זה, החוקרים סנתזו ובניצולת גבוהה מבנים ממשפחת הרוטאקסנים (rotaxane): מולקולה בצורת טבעת המחוברת באופן מכאני לסרן.

בשלב הבא, פרייזר סטודארט ניצל את חופשיות התנועה של הטבעת על מנת להניעה לאורך הציר. כאשר התמיסה חוממה, הטבעת נעה אחורה וקדימה – בדומה למעלית זעירה – בין שני החלקים העתירים באלקטרונים של הציר (איור 3). בשנת 1994 הוא הצליח להגיע לשליטה מוחלטת בתנועה זו, ובכך העלים את האקראיות שבמקרים אחרים שולטת בתנועות בתוך מערכות כימיות.

להמשך ראו חלק ב’ של כתבה זו