تابع من الجزء أ - 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.
مصعد وعضلة وشريحة كمبيوتر صغيرة
منذ عام 1994، استخدمت مجموعة أبحاث ستودارت عددًا من الروتاكسانات لبناء مجموعة متنوعة من الآلات الجزيئية، بما في ذلك المصعد (2004، الشكل 4)، القادر على رفع نفسه بمقدار 0.7 نانومتر فوق مستوى قاعدته، وحتى العضلات الاصطناعية (2005).
كجزء من التعاون مع باحثين آخرين، قام فريزر ستودارت أيضًا بتطوير شريحة كمبيوتر تعتمد على بنية روتاكسان بسعة ذاكرة تبلغ 20 كيلو بايت. لا شك أن الترانزستورات المستخدمة اليوم داخل رقائق الكمبيوتر صغيرة جدًا
لكنها ضخمة مقارنة بالترانزستورات الجزيئية. ويعتقد الباحثون أن رقائق الكمبيوتر الجزيئية قد تحدث ثورة في تكنولوجيا الكمبيوتر مماثلة للثورة التي أحدثتها الترانزستورات القائمة على السيليكون.
درس جان بيير سوفاج أيضًا إمكانات الروتاكسانات. وفي عام 2000، تمكن فريقه البحثي من ربط جزيئين حلقيين معًا لتكوين بنية مرنة تشبه وترًا عضليًا بشريًا واحدًا (الشكل 5). كما قاموا أيضًا بتصنيع هيكل يشبه المحرك، حيث تدور حلقة الروتاكسان في اتجاهات مختلفة حسب الحاجة.
يعد إنشاء محركات قادرة على الدوران بشكل مستمر في نفس الاتجاه هدفًا مهمًا في مجال الهندسة الجزيئية. وقد جرت محاولات عديدة في التسعينيات، ولكن أول من حقق ذلك هو الباحث الهولندي برنارد فيرينجا.
قام بن فيرينجا ببناء المحركات الجزيئية الأولى
تمامًا مثل فريزر ستودارت، نشأ بن فيرينجا في مزرعة وكان منجذبًا إلى الكيمياء بسبب إبداعها الذي لا نهاية له. وكما عبر في إحدى مقابلاته: "من الممكن أن قوة الكيمياء لا تكمن فقط في الفهم، بل أيضًا في الخلق، وفي تحضير الجزيئات والمواد التي لم تكن موجودة من قبل..."
في عام 1999، عندما قام بن فيرينجا بتصنيع أول محرك جزيئي على الإطلاق، استخدم عددًا من الحيل الرائعة المصممة للسماح للمحرك بالدوران في اتجاه واحد فقط. عادة، تخضع حركات الجزيئات للتغيرات؛ في المتوسط، يقوم الجزيء الفردي بتدويره عدة مرات إلى اليسار واليمين. ومع ذلك، صمم بن فيرينجا جزيئًا كان مقيدًا ميكانيكيًا ليكون قابلاً للتدوير في اتجاه واحد فقط (الشكل 6).
يتكون الجزيء من أجزاء تشبه شفرتين دوارتين صغيرتين، وبنيتين كيميائيتين مسطحتين مرتبطتين برابطة مزدوجة بين ذرتي الكربون. تم ربط مجموعة الميثيل بكل من ريش الدوار؛ تعمل هذه المجموعات، جنبًا إلى جنب مع الشفرات الدوارة، مثل السقاطة التي تجبر الجزيء على الدوران في اتجاه واحد فقط. عندما يتعرض الجزيء لحزمة من الأشعة فوق البنفسجية، تدور إحدى الشفرات الدوارة بمقدار 180 درجة حول الرابطة المزدوجة. ثم يتحرك السقاطة إلى موضعه الثابت. عندما ينبعث شعاع آخر، تدور شفرة الدوار 180 درجة مرة أخرى. وهكذا استمر الأمر، جولة بعد جولة، في نفس الاتجاه.
لم يكن المحرك الأول سريعًا جدًا، لكن مجموعة أبحاث فرينجا قامت بتحسين أدائه. وفي عام 2014 كان المحرك يدور بسرعة 12 مليون دورة في الثانية. وفي عام 2011، قامت المجموعة أيضًا بتصنيع سيارة نانوية ذات أربع عجلات، وهي عبارة عن هيكل جزيئي متصل بأربعة هياكل دوارة تعمل كعجلات. ومع دوران العجلات، تتحرك السيارة للأمام على السطح (الشكل 7).
محرك جزيئي يقوم بتدوير أسطوانة زجاجية صغيرة
وفي تجربة مذهلة أخرى، استخدم فريق بن فيرينجا البحثي محركات جزيئية لتدوير أسطوانة زجاجية طويلة بحجم 28 ميكرومتر (أكبر بـ 10,000 مرة من المحركات الجزيئية). يتكون واحد بالمائة فقط من البلورة السائلة من محركات جزيئية، ولكن عندما يبدأ الباحثون بتدويرها، تغير المحركات بنية البلورة السائلة أثناء دورانها. عندما وضع الباحثون الأسطوانة الزجاجية فوق بلورة سائلة، دارت تبعًا لحركة المحركات.
صندوق الأدوات الجزيئية
أدت الخطوات الرائدة التي اتخذها جان بيير سوفاج وفريزر ستودارت وبن فيرينجا في تطوير الآلات الجزيئية إلى ظهور أدوات لإنشاء الهياكل الكيميائية، وهي أدوات يستخدمها الباحثون في جميع أنحاء العالم لبناء هياكل متزايدة التعقيد. أحد الأمثلة المدهشة هو الروبوت الجزيئي الذي يمكنه التقاط الأحماض الأمينية وتوصيلها. تم تطوير مثل هذا الهيكل بالفعل في عام 2013 ويعتمد على جزيء الروتاكسان.
وقد ربط باحثون آخرون محركات جزيئية بالبوليمرات الطويلة لتشكيل شبكة معقدة. عندما تتعرض المحركات الجزيئية للضوء، فإنها تقوم بتقليص البوليمرات إلى حزمة مدمجة. وبهذه الطريقة من الممكن تجميع وتخزين الطاقة داخل الجزيئات، وإذا وجد الباحثون طريقة لاسترجاع هذه الطاقة، فسيكون من الممكن تطوير نوع جديد من البطاريات. تنكمش المادة أيضًا عندما تقوم المحركات بنسج البوليمرات، وهي نتيجة يمكن استخدامها لتطوير أجهزة كشف تستجيب للضوء.
نحو كيمياء جديدة وحيوية
جزء مهم من التطور الذي ولد بفضل الفائزين بجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2016 هو أن الباحثين نقلوا الأنظمة الجزيئية بعيدا عن حالة تعرف باسم التوازن. تسعى جميع الأنظمة الكيميائية إلى تحقيق التوازن - حالة طاقة منخفضة قدر الإمكان - ولكنها قد تصل أيضًا إلى طريق مسدود. ويمكنك أن تنظر إلى الحياة نفسها كمثال على ذلك. عندما نأكل، تتغذى الجزيئات الموجودة في جسمنا بالطاقة المخزنة في الطعام وتحرك أنظمتنا الجزيئية بعيدًا عن نقطة التوازن، إلى مستويات طاقة أعلى. في الخطوة التالية، تستخدم الجزيئات الحيوية الطاقة لدفع التفاعلات الكيميائية اللازمة لكي يعمل الجسم بشكل صحيح. لو كان الجسم في حالة توازن كيميائي، لكنا قد نموت بالفعل.
تمامًا مثل جزيئات الحياة، تؤدي الأنظمة الجزيئية الاصطناعية لـ Sauvage وStoddart وFringa مهام خاضعة للرقابة. ولذلك اتخذ عالم الكيمياء الخطوة الأولى نحو عالم جديد. لقد أظهر لنا التاريخ بالفعل التأثيرات الثورية لتصغير أجهزة الكمبيوتر، في حين أننا اليوم نشاهد فقط بداية الثورة الموازية في الآلات الجزيئية. ومن حيث مراحل التطور، فإن المحرك الجزيئي موجود في نفس المكان الذي كان عليه المحرك الكهربائي عام 1830، عندما عرض الباحثون بكل فخر مجموعة متنوعة من الكرنك وعجلات الغزل في مختبراتهم دون أن يتخيلوا أنهم هم المخترعون الذين سيقودون إلى التطوير من القطارات الكهربائية والغسالات والمراوح ومحضرات الطعام المنزلية.
وهكذا، بعد مرور 32 عامًا على محاضرة فاينمان الحكيمة، لا يمكننا اليوم إلا أن نخمن ما هي التطورات المثيرة التي لا تزال تخبئها لنا. وفي الوقت نفسه، لدينا إجابة قاطعة على سؤاله الأول: ما مدى صغر حجم الآلة التي يمكن لأي شخص أن يصنعها؟ أصغر بـ 10,000 مرة على الأقل من شعرة الإنسان.
