من سيقود السيارة الجزيئية؟ - كيف تصبح الجزيئات آلات - الجزء الأول

مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2016 إلى جان بيير سوفاج وجيمس فريزر وبرنارد فيرينجا لتطويرهم آلات جزيئية يبلغ حجمها آلاف المرات حجم شعرة الإنسان. هذه هي قصة نجاحهم في ربط الجزيئات معًا لإنشاء آلات جزيئية مثل المصعد الصغير والمحركات وحتى العضلات الاصطناعية.

إلى أي مدى يمكن التقليل من تشغيل الآلة؟ هذا هو السؤال الذي طرحه ريتشارد فاينمان الحائز على جائزة نوبل، والذي حظي بالكثير من الدعاية بفضل تنبؤاته التي تعود إلى الخمسينيات حول تطور مجال تكنولوجيا النانو، وهو السؤال الذي طرحه في محاضرته الثورية في عام 1984. حافي القدمين، يرتدي قميص بولو وردي اللون وتوجه إلى الجمهور وسأل: "الآن سنتحدث عن إمكانية تصنيع آلات تتضمن أجزاء متحركة ستكون صغيرة للغاية".

لقد كان على يقين من إمكانية بناء الآلات بمقياس النانومتر. مثل هذه الآلات موجودة بالفعل في الطبيعة. وضرب مثالاً بسوط البكتيريا، وهي جزيئات تشبه المفتاح والتي تسمح دوراتها السبعة للبكتيريا بالتحرك للأمام. ولكن هل يستطيع البشر -بمساعدة أيديهم الكبيرة- أن يبنوا آلات صغيرة جدًا بحيث تحتاج إلى مجهر لرؤيتها؟

الرؤية المستقبلية - الآلات الجزيئية ستصل خلال 30-25 سنة

إحدى الطرق الممكنة هي بناء زوج من الأيدي الميكانيكية التي ستكون أصغر من أيدينا، والتي بدورها ستسمح ببناء زوج من الأيدي الأصغر حجمًا، وهكذا. وقد تم استكشاف هذا الاحتمال، ولكن دون نجاح كبير، كما يقول فاينمان.

هناك استراتيجية أخرى، يؤمن بها فاينمان أكثر، وهي بناء الآلة من الأسفل إلى الأعلى. في هذه الفكرة النظرية الخاصة به، سيتم رش مواد مختلفة، مثل السيليكون، على السطح، طبقة من الذرات طبقة تلو الأخرى. بعد ذلك، ستذوب بعض الطبقات جزئيًا ويتم إزالتها، مما يؤدي إلى تكوين أجزاء متحركة يمكن التحكم بها بالتيار الكهربائي. ووفقا لرؤية فاينمان، يمكن استخدام مثل هذا المصفوفة لإنشاء فتحة بصرية لكاميرا صغيرة.

وكان الغرض من المحاضرة هو إلهام الباحثين من بين الحضور، والسماح لهم بدراسة حدود ما هو ممكن. عندما طوى فاينمان أوراقه في نهاية محاضرته، نظر إلى الجمهور وقال بلهجة مرحة: "أجري دراسة رائعة في تصميم أنواع مختلفة من الآلات المألوفة، وسنرى ما إذا كنت ستنجح أم لا. واستثمر فيها لمدة 30-25 سنة، وبعد ذلك سيكون لها استخدام عملي. ماذا سيكون، لا أعرف". ما لم يعرفه فاينمان ولا أي من الباحثين من الحضور في ذلك الوقت، هو أن الخطوة الأولى نحو تطوير الآلات الجزيئية قد تم اتخاذها بالفعل، ولكن بطريقة مختلفة قليلاً عما تصوره فاينمان.

يتم دمج الجزيئات كآلات

في منتصف القرن العشرين، وكجزء من الجهود المبذولة لتطوير جزيئات متقدمة بشكل متزايد، حاول الكيميائيون إنتاج سلاسل جزيئية تتضمن جزيئات حلقية مرتبطة ببعضها البعض. والباحث الذي ينجح في ذلك لن يتمكن من إنشاء جزيء جديد ومذهل فحسب، بل سيخلق أيضًا نوعًا جديدًا من الروابط الكيميائية. عادة، يتم ربط الجزيئات معًا بواسطة روابط تساهمية قوية حيث تتشارك الذرات في الإلكترونات المشتركة. كانت الرؤية تتمثل في إنشاء روابط ميكانيكية بدلاً من ذلك، حيث يتم دمج الجزيئات معًا دون تفاعل الذرات مباشرة مع بعضها البعض (الشكل 1).

في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي، ذكرت عدة مجموعات بحثية أن أنابيب الاختبار الخاصة بها تحتوي على سلاسل جزيئية، لكن الكميات التي تم تصنيعها كانت صغيرة وكانت الطرق معقدة للغاية لدرجة أن استخدامها كان محدودًا للغاية. كان التقدم في هذا المجال في ذلك الوقت يعتبر بمثابة فضول علمي بحت أكثر من الكيمياء التطبيقية. وبعد سنوات من العقبات المختلفة، رفع العديد من الباحثين أيديهم في هذا المجال، وفي بداية الثمانينات تآكل المجال بالكامل تقريباً. ومع ذلك، جاء الإنجاز المهم في عام 1983. باستخدام أيون النحاس المشترك، قامت مجموعة بحث من فرنسا، بقيادة جان بيير سوفاج تمكن (جان بيير سوفاج) من السيطرة على الجزيء.

نجح جان بيير سوفاج في ربط الجزيئات حول أيون النحاس

وكما يحدث غالبًا في الأبحاث، جاء الإلهام من منطقة مختلفة تمامًا. عمل جان بيير سوفاج في مجال الكيمياء الضوئية، حيث قام الكيميائيون بتطوير اتحادات جزيئية قادرة على التقاط الطاقة المخزنة في أشعة الشمس واستخدامها لدفع التفاعلات الكيميائية. عندما بنى جان بيير سوفاج نموذجًا لواحدة من هذه الاقترانات الكيميائية الضوئية النشطة، رأى فجأة تشابه البنية مع سلسلة جزيئية: جزيئين متشابكين حول أيون النحاس.

أدت هذه الرؤية إلى تغيير جذري في مجالات أبحاث جان بيير سوفاج. باستخدام الاقتران الكيميائي الضوئي كنموذج، قامت مجموعته البحثية بتصنيع جزيء واحد على شكل حلقة وجزيء آخر على شكل هلال بحيث ينجذب كلاهما إلى أيون النحاس (الشكل 1)؛ يوفر أيون النحاس نوعًا من القوة اللاصقة التي تربط الجزيئات معًا. وفي خطوة ثانية، استخدمت المجموعة مادة كيميائية من أجل دمج جزيء السهارون مع جزيء ثالث لتكوين حلقة جديدة، وفي هذه العملية يتم إنشاء الحلقة الأولى في السلسلة. وفي الخطوة التالية قام الباحثون بإزالة أيون النحاس الذي خدم غرضه.

يشير الكيميائيون إلى استخدام التفاعل: النسبة المئوية للجزيئات المتفاعلة التي تؤدي إلى ظهور الجزيء المستهدف، وهو المنتج. وفي المحاولات السابقة لتكوين جزيئات على شكل سلاسل، حقق الباحثون، في أحسن الأحوال، نسبة قليلة من البقاء على قيد الحياة. بفضل أيون النحاس، تمكن Savage من زيادة معدل البقاء على قيد الحياة إلى قيمة مذهلة تبلغ 42%. فجأة، أصبحت السلاسل الجزيئية أكثر من مجرد مسألة فضول.

بفضل طريقته الثورية، قام سافاج بتنشيط مجال الكيمياء الطوبولوجية حيث يجمع الباحثون - الذين يستخدمون عادة أيونات المعادن - جزيئات مختلفة معًا في هياكل متزايدة التعقيد، بدءًا من السلاسل الطويلة وحتى المجموعات المعقدة. يعد جان بيير سوفاج وجيمس فريزر ستودارت قادة في هذا المجال، وقد ابتكرت مجموعاتهم البحثية نسخًا جزيئية من الرموز الثقافية مثل عقدة ثلاثية الفصوص، وعقدة سليمان، وحلقات البورومين (الشكل 2).

الخطوات الأولى لتطوير المحرك الجزيئي

وسرعان ما أدرك جان بيير سوفاج أن السلاسل الجزيئية (شاشمان الصغار، كاتينانيس، من الكلمة اللاتينية التي تعني سلسلة، سلسلة) لم يشكل عائلة جديدة من الجزيئات فحسب، بل بدأ أيضًا الخطوة الأولى نحو إنشاء الآلات الجزيئية. لكي تقوم الآلة بمهامها، يجب أن تحتوي على عدة أجزاء قابلة للحركة. الحلقتان المدمجتان تفي بهذا المطلب. في عام 1994، نجحت مجموعة أبحاث جان بيير سوفاج أيضًا في تصنيع كاتانان حيث تدور إحدى الحلقات، بطريقة محكومة، حول الحلقة الأخرى بعد إضافة الطاقة إلى النظام. كان هذا الجزيء هو الجنين الأول للآلات الجزيئية غير البيولوجية.

تم إنشاء الجنين الثاني للآلات الجزيئية على يد كيميائي نشأ في مزرعة في اسكتلندا لم يكن بها كهرباء أو وسائل راحة حديثة.

يقوم فريزر ستودارت بربط حلقة جزيئية داخل قضيب جزيئي

عندما كان طفلاً، لم يكن فريزر ستودارت يشاهد التلفاز أو يستخدم الكمبيوتر. وبدلاً من ذلك، شغل نفسه ببناء الركام، وهي موهبة يمكن أن تساعد الكيميائي بالتأكيد: معرفة الأشكال وفهم كيفية توافقها معًا. لقد انجذب إلى الكيمياء أيضًا بسبب رغبته في أن يصبح فنانًا جزيئيًا - ينحت أشكالًا جديدة لم ترها البشرية من قبل.

عندما طور فريزر ستودارت أحد إبداعاته الجزيئية التي تشكل أساس جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2016، استفاد أيضًا من قدرة الكيمياء على تصميم جزيئات تجذب بعضها البعض. وفي عام 1991، قام فريقه البحثي بتصنيع حلقة مفتوحة تعاني من نقص الإلكترون، بالإضافة إلى قضيب طويل، أو محور، بهياكل غنية بالإلكترونات في موقعين (الشكل 3). عندما التقى الجزيئان في المحلول، انجذب الهيكل الناقص الإلكترون إلى الهيكل الغني بالإلكترونات، وبالتالي تم إدخال القضيب في الحلقة. وفي الخطوة التالية، أغلق فريق البحث الفتحة الموجودة في الحلقة، وبالتالي ظلت متصلة بالقضيب. وبهذه الطريقة، قام الباحثون بتركيب هياكل من عائلة الروتاكسان (روتاكسان): جزيء على شكل حلقة مرتبط ميكانيكيًا بالمحور.

في الخطوة التالية، استفاد فريزر ستودارت من حرية حركة الحلقة من أجل القيادة على طول المحور. عندما يتم تسخين المحلول، تتحرك الحلقة ذهابًا وإيابًا - على غرار مصعد صغير - بين جزأين المغزل الغنيين بالإلكترونات (الشكل 3). وفي عام 1994، تمكن من تحقيق السيطرة الكاملة على هذه الحركة، وبالتالي القضاء على العشوائية التي تتحكم في حالات أخرى في الحركات داخل الأنظمة الكيميائية.

للمزيد، راجع الجزء ب من هذه المقالة