שלושה מדענים יקבלו את הפרס על פיתוח "ננו-מכונות" שעשויות לשנות את פני הכימיה, הביולוגיה, הרפואה וההנדסה
פרס נובל לכימיה יוענק השנה לז'אן פייר סובאז' (Sauvage) מאוניברסיטת שטרסבורג בצרפת, לג'יי פרייזר סטודארט (Stoddart) מאוניברסיטת נורת'ווסטרן בארה"ב ולברנארד פרינחה (Feringa) מאוניברסיטת חרונינגן בהולנד "על התכנון והייצור של מכונות מולקולריות". השלושה הצליחו ליצור מולקולות זעירות, אשר יכולות לבצע משימות מוגדרות. בין היתר, הצליחו ליצור מעלית זעירה, שריר מלאכותי וננו-מכונית.
כדי שמכונה תפעל, היא צריכה להיות מורכבת מחלקים שונים שיכולים לזוז זה לעומת זה, ולהיות מסוגלת להמיר אנרגיה כלשהי לתנועה. מכונית, מכונת גילוח, בלנדר וכל מכשיר חשמלי אחר בעל מנוע, עובדים בדיוק כך. פיתוח מכונות כאלה לא היה אתגר פשוט, ובני אדם הצליחו בכך רק במאות האחרונות, עם המצאת המנועים. הרכבת מכונה בקנה מידה ננומטרי – מיליארדית המטר, קטן פי 1000 ויותר משערה אנושית - הייתה עד לפני שנים לא רבות בגדר מדע בדיוני, וחלומם של מדענים רבים.
צעד ראשון כלפי ננו מכונה, היה ליצור ננו-חלקים שמחוברים זה לזה, ויכולים לנוע בצורה עצמאית. קשר כימי רגיל מבוסס על שיתוף אלקטרונים בין אטומים שונים, ולכן הוא לא יאפשר תנועה בלתי תלויה של חלקי המכונה. המדענים נדרשו לפיכך לפתח סוג חדש של קשרים.
סובאז' (מימין), סטודארט ופרינחה | צילומים: אונ' שטרסבורג, אונ' נורת'ווסטרן, ויקיפדיה
ננו שריר
בשנת 1983 הצליחו סובאז' וקבוצתו ליצור שרשרת מולקולרית. הם לקחו מולקולה טבעתית, ובעזרת אטום נחושת, חיבר אליה חצי טבעת נוספת. לחצי הטבעת חיברו באמצעות תגובה כימית חצי נוסף, כך שנסגרה טבעת. לאחר יצירת החיבור, אטום הנחושת הוסר, והתקבלה שרשרת מולקולרית בעלת שתי חוליות, המחוברות ביניהן בקשר מכני, ולא בקשר כימי, כך ששתי הטבעות יכלו לזוז בחופשיות בלי להשתחרר זו מזו.
בהמשך הדרך הצליחה הקבוצה לפתח מבנים מתוחכמים הרבה יותר. אחת הדוגמאות המעניינות היא מערכת שיכולה להתארך ולהתקצר בצורה נשלטת, באופן המדמה פעולה של שריר.
הבסיס לשריר מלאכותי. הטבעות השלובות של סובאז' | מקור: ויקיפדיה
ננו מעלית
בשנת 1991 סטודארט ושותפיו הצליחו "להשחיל" טבעת מולקולרית על פני מוט זעיר. הטבעת הייתה עשירה במטען שלילי, בעוד בקצות המוט היו מטענים חיוביים, שמנעו מהטבעת לגלוש מעבר לקצוות. המערכת הזו אפשרה לטבעת לנוע בין שתי תחנות על מסילה. בהמשך, סטודראט הצליח לשלוט באופן שבו הטבעת נעה על המסילה, באמצעות שינוי המטען החשמלי של אזורים שונים במוט. כך נוצרה מעין רכבת הנעה לאורך מסילה (המוט) ועוצרת בתחנות שונות לאורך הדרך.
בהשראת המוט הרכיבו סטודארט ושותפיו מעלית זעירה, המורכבת ממשטח שבהינתן כח חיצוני נע מעלה ומטה בין שתי תחנות על מערכת מסילות, בצורה שמזכירה תנועה של מעלית.
המעלית המולקולרית של סטודארט | איור: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
האוטו שלנו קטן ובלתי נראה
אחרי שסובאז' ושטודראט פיתחו את החלקים, היה חסר רק מנוע שימיר אנרגיה לתנועה. מטרה זו הושגה על ידי פרינחה בשנת 1999. הוא יצר מולקולה א-סימטרית בעלת שני להבים המחוברים בקשר גמיש ורגיש לאור. כאשר מקרינים אור על המולקולה אחד הלהבים מסתובב ב 180 מעלות. הדבר יוצר מתח שמשתחרר בצורת חום ואחר כך הרוטור חוזר למצב המקורי. על פעולה זו ניתן לחזור שוב ושוב, וליצור תנועה מחזורית מתמשכת.
הקבוצה של פרינחה שכללה את המנועים המולקולריים, ויצרה מבנים שיכולים להסתובב בקצב של עד 10,000 סיבובים בשנייה וכן מבנים שיכולים להסתובב בכיוונים שונים.
פרינחה וחבריו הראו גם שניתן לקשר בין המנוע שהם יצרו לפעולות מכניות. הם חיברו ארבע צורות דמויות גלגל למולקולה שיצרו, והראו שעל ידי הנעת ה"גלגלים" הללו, אפשר להזיז את המולקולה שלהם על גבי משטח.
המכונית המולקולרית של פרינחה ועמיתיו. איור: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
מבט לעתיד
נכון להיום, המכונות המולקולריות לא עושות עדיין שום דבר משמעותי. אך ההיסטוריה מלאה דוגמאות של המצאות שנראו תחילה בלתי שימושיות בעליל, כמו למשל הסוללה החשמלית שפיתח אלסנדרו וולטה (Volta) האיטלקי, או מנוע החום שהגה סאדי קרנו (Carnnot) מצרפת, שתי המצאות שהיו לימים בין היסודות למהפכה התעשייתית ששינתה את עולמנו.
אז מה אפשר יהיה לעשות עם ננו מכונות בעשורים הקרובים? על סמך כיווני המחקר והפיתוח הנוכחיים בתחום סביר להניח שננו מכונות יהיו משמעותיות בפיתוח חומרים חדשים, חיישנים רגישים, רובוטים להזרקת תרופות בתוך הגוף ומערכות לאגירת אנרגיה. אבל למה להגביל עצמנו? ייתכנו עוד תחומים רבים שבהם יהיה שימוש למכונות משוכללות שגודלן כמה מיליוניות המילימטר.
