סיקור מקיף

מעלית, שריר, שבב מחשב זעיר ופרס נובל – כיצד מולקולות הופכות למכונות – חלק ב'

המשך מחלק 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.

מעלית, שריר ושבב מחשב זעיר

מאז 1994, קבוצת המחקר של סטודארט השתמשה במספר רוטאקסנים בכדי לבנות מגוון מכונות מולקולאריות, לרבות מעלית (2004, איור 4), המסוגלת להרים את עצמה לגובה של 0.7 ננומטרים מעל מפלס הבסיס שלה, ואפילו שריר מלאכותי (2005).

איור 4. המעלית המולקולארית של פרייזר סטודארט. מקור לאיור זה ולשאר האיורים: ועדת פרס נובל.
איור 4. המעלית המולקולארית של פרייזר סטודארט. מקור לאיור זה ולשאר האיורים: ועדת פרס נובל.

במסגרת שיתופי פעולה עם חוקרים אחרים, פרייזר סטודארט פיתח גם שבב מחשב המבוסס על מבנה רוטאקסן עם נפח זיכרון של 20 ק"ב. הטרנזיסטורים המשמשים כיום בתוך שבבי מחשב הם אומנם זעירים

אולם הם ענקיים בהשוואה לטרנזיסטורים מולקולאריים. חוקרים מאמינים כי שבבי מחשב מולקולאריים עשויים להביא למהפכה בטכנולוגיית המחשבים באופן דומה למהפכה שיצרו טרנזיסטורים מבוססי סיליקון.

גם ז'אן-פייר סוואג' חקר את הפוטנציאל הטמון ברוטאקסנים. בשנת 2000, קבוצת המחקר שלו הצליחה להשחיל שתי מולקולות טבעתיות יחדיו ליצירת מבנה גמיש המזכיר גיד יחיד של שריר אנושי (איור 5). הם גם סנתזו מבנה הדומה למנוע, כאשר טבעת הרוטאקסן מסתובבת לכיוונים שונים כנדרש.

איור 5. ז'אן-פייר סוואג' הצליח להשחיל שתי טבעות מולקולאריות יחדיו ליצירת מבנה המסוגל להתכווץ ולהתרחב.
איור 5. ז'אן-פייר סוואג' הצליח להשחיל שתי טבעות מולקולאריות יחדיו ליצירת מבנה המסוגל להתכווץ ולהתרחב.

יצירת מנועים המסוגלים להסתובב באופן רציף לאותו כיוון מהווה מטרה חשובה בתחום של הנדסה מולקולארית. ניסיונות רבים נעשו בשנות התשעים, אולם הראשון שהצליח להשיג זאת היה החוקר ההולנדי ברנארד פרינגה.

בן פרינגה בונה את המנועים המולקולאריים הראשונים

בדיוק כמו פרייזר סטודארט, בן פרינגה גדל בחווה חקלאית ונמשך לכימיה בזכות היצירתיות האינסופית הגלומה בה. כפי שהוא התבטא באחד מראיונותיו: "ייתכן שכוחה של הכימיה אינו טמון רק בהבנה, אלא גם ביצירה, בהכנת מולקולות וחומרים שלא היו בעבר…"

בשנת 1999, כאשר בן פרינגה סנתז את המנוע המולקולארי הראשון אי פעם, הוא השתמש במספר טכסיסים מבריקים שנועדו לאפשר למנוע להסתובב בכיוון אחד ויחיד. באופן רגיל, התנועות של מולקולות נשלטות על ידי שינויים; בממוצע, מולקולה פרטנית מסתובבת אותו מספר פעמים ימינה ושמאלה. אולם, בן פרינגה עיצב מולקולה שהייתה מוגבלת מכאנית הניתנת לסיבוב בכיוון אחד בלבד (איור 6).

איור 6. כאשר בן פרינגה יצר את המנוע המולקולארי הראשון, הוא עוצב מכאנית בצורה כזו שהוא מסתובב לכיוון אחד בלבד. קבוצת המחקר שלו שיפרה את המנוע כך שכעת הוא מסוגל להסתובב 12 מיליון סיבובים בשנייה. 1. קרינה על-סגולה גורמת לאחד מהלהבים ברוטור להסתובב ב-180 מעלות. מצב זה יוצר מתח מבני במולקולה. 2. המתח משתחרר כאשר אחד מלהבי הרוטור לוחץ על הלהב השני. הסיבוב חזרה נמנע. 3. קרינה על-סגולה גורמת לסיבוב נוסף של 180 מעלות. 4. הטמפרטורה מועלית, מצב הגורם לקבוצות המתיל ללחוץ על להבי הרוטור. הסיבוב אחורה נמנע.
איור 6. כאשר בן פרינגה יצר את המנוע המולקולארי הראשון, הוא עוצב מכאנית בצורה כזו שהוא מסתובב לכיוון אחד בלבד. קבוצת המחקר שלו שיפרה את המנוע כך שכעת הוא מסוגל להסתובב 12 מיליון סיבובים בשנייה. באיור: 1. קרינה על-סגולה גורמת לאחד מהלהבים ברוטור להסתובב ב-180 מעלות. מצב זה יוצר מתח מבני במולקולה. 2. המתח משתחרר כאשר אחד מלהבי הרוטור לוחץ על הלהב השני. הסיבוב חזרה נמנע. 3. קרינה על-סגולה גורמת לסיבוב נוסף של 180 מעלות. 4. הטמפרטורה מועלית, מצב הגורם לקבוצות המתיל ללחוץ על להבי הרוטור. הסיבוב אחורה נמנע.

המולקולה הורכבה מחלקים הדומים לשני להבי רוטור קטנים, שני מבנים כימיים שטוחים שנקשרו דרך קשר כפול בין שני אטומי פחמן. קבוצת מתיל נקשרה לכל אחד מלהבי הרוטור; קבוצות אלו, יחד עם להבי הרוטור, פועלים כמו מַחְגֵּר שִׁנַּיִם (ratchet) המאלץ את המולקולה להסתובב לכיוון אחד בלבד. כאשר המולקולה נחשפת לאלומה של קרינה על-סגולה, אחד מלהבי הרוטור מסתובב ב-180 מעלות מסביב לקשר הכפול. ואז המחגר נע למיקומו הקבוע. כאשר מקרינים אלומה נוספת, להב הרוטור מסתובב שוב ב-180 מעלות. וכך זה נמשך, סיבוב אחר סיבוב, באותו הכיוון.

המנוע הראשון לא היה ממש מהיר, אך קבוצת המחקר של פרינגה שיפרה את ביצועיו. בשנת 2014 המנוע הסתובב במהירות של 12 מיליון סיבובים לשנייה. בשנת 2011, הקבוצה סנתזה גם ננו-מכונית עם ארבעה גלגלים – שלדה מולקולארית המחוברת לארבעה מבנים מסתובבים המתפקדים בתור גלגלים. כאשר הגלגלים מסתובבים, המכונית נעה קדימה על גבי המשטח (איור 7).

איור 7. ננו-המכונית בעלת ארבעת הגלגלים של בן פרינגה.
איור 7. ננו-המכונית בעלת ארבעת הגלגלים של בן פרינגה.

מנוע מולקולארי המסובב גליל זכוכית קטן

בניסוי מדהים נוסף, קבוצת המחקר של בן פרינגה השתמשה במנועים מולקולאריים על מנת לסובב גליל זכוכית ארוך בגודל של 28 מיקרומטרים (10,000 פעמים גדול יותר מהמנועים המולקולאריים). רק אחוז אחד בלבד מהנוזל הגבישי מורכב ממנועים מולקולאריים, אולם כאשר החוקרים מתחילים לסובב אותם, המנועים משנים את המבנה של הגביש הנוזלי בזמן הסיבוב שלהם. כאשר החוקרים מיקמו את גליל הזכוכית על גבי גביש נוזלי, הוא הסתובב בעקבות התנועה של המנועים.

תיבת כלי עבודה מולקולאריים

הצעדים פורצי הדרך של ז'אן-פייר סוואג', פרייזר סטודארט ובן פרינגה שנעשו במהלך הפיתוח של מכונות מולקולאריות הולידו כלי עבודה ליצירת מבנים כימיים, כלים המשמשים חוקרים ברחבי העולם כולו לבניית מבנים מורכבים יותר ויותר. אחת מהדוגמאות המדהימות ביותר היא רובוט מולקולארי שיוכל ללכוד ולחבר חומצות אמינו. מבנה כזה אכן פותח בשנת 2013 והוא מבוסס על מולקולת רוטאקסן.

חוקרים אחרים חיברו מנועים מולקולאריים לפולימרים ארוכים ליצירת רשת מסובכת. כאשר המנועים המולקולאריים נחשפים לאור, הם מכווצים את הפולימרים לכדי חבילה דחוסה. באופן כזה, ניתן לאגור ולאחסן אנרגיה בתוך המולקולות, ואם החוקרים ימצאו דרך לאחזור אנרגיה זו, הרי שניתן יהיה לפתח סוג חדש של סוללה. החומר גם מתכווץ כאשר המנועים שוזרים את הפולימרים, תוצאה שתוכל לשמש לפיתוחם של גלאים המגיבים לאור.

לעבר כימיה חדשה ותוססת

חלק חשוב מההתפתחות שנולדה בזכות חתני פרס הנובל בכימיה לשנת 2016 הוא שחוקרים הרחיקו מערכות מולקולאריות ממצב שמכונה בשם שיווי משקל. כל המערכות הכימיות שואפות להשיג שיווי משקל – מצב אנרגטי נמוך ככל האפשר – אולם הוא יכול להיות גם מבוי סתום. ניתן להסתכל על החיים עצמם כדוגמה לכך. כאשר אנו אוכלים, המולקולות שבגוף שלנו ניזונות מהאנרגיה שאצורה במזון ומרחיקות את המערכות המולקולאריות שלנו מנקודת שיווי המשקל, לרמות אנרגיה גבוהות יותר. בשלב הבא הביו-מולקולות משתמשות באנרגיה על מנת להניע תגובות כימיות הנדרשות לגוף כדי לתפקד כהלכה. אם הגוף היה בשיווי משקל כימי, היינו כבר מתים.

בדיוק כמו המולקולות של החיים, המערכות המולקולאריות המלאכותיות של סוואג', סטודארט ופרינגה מבצעות מטלות מבוקרות. עולם הכימיה, לפיכך, ביצע בכך את הצעד הראשון לעברו של עולם חדש. ההיסטוריה אכן הדגימה לנו את ההשפעות המהפכניות של מזעור המחשבים, כאשר כיום אנו צופים רק בתחילתה של המפכה המקבילה במכונות מולקולאריות. מבחינת שלבי ההתפתחות, המנוע המולקולארי נמצא באותו המקום שבו היה המנוע החשמלי בשנת 1830, כאשר חוקרים הציגו בגאווה מגוון ארכובות וגלגלים מסתובבים במעבדות שלהם מבלי לדמיין שהם הממציאים שיובילו לפיתוחם של רכבות חשמליות, מכונות כביסה, מאווררים ומעבדי מזון ביתיים.

וכך, 32 שנים לאחר ההרצאה מלאת החזון של פיינמן, אנו יכולים היום רק לנחש מהן ההתפתחויות המרגשות שעוד נכונו לנו. יחד עם זאת, יש לנו תשובה נחרצת לשאלתו הראשונה – עד כמה זעירה תהיה המכונה שאדם יוכל לבנות? לפחות 10,000 פעמים קטנה יותר משיערת אדם.

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

לוגו אתר הידען
דילוג לתוכן