Molekulární stroje je složité vyrobit, protože molekuly jsou neustále v pohybu. Čeští vědci teď ale přišli na způsob, jak pohyb zpomalit. Využívají k tomu světlo.
Slavný film Krotitelé duchů ukazoval, jak čtveřice vědeckých pábitelů loví duchy. Pomocí koncentrovaných paprsků světla dokázali nehmotné bytosti zastavit v pohybu a pak lapit do speciální pasti. Něco podobného teď dokázali čeští vědci, ale s molekulami.
Molekuly jsou podobně jako duchové ve výše uvedeném filmu velmi neklidné. Jsou neustále v pohybu, pohybují se jak uvnitř, tak i vůči sobě. Čeští vědci teď ale dokázali tento pohyb zpomalit o pět řádů, takže se téměř zastavil.
Vědci z týmu Jiřího Kalety na Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR (ÚOCHB) ukázali, že náhodný pohyb uvnitř molekul se dá utlumit, když pomocí světla zpomalili vzájemnou rotaci dvou různých částí jedné molekuly až o pět řádů. Nejde pouze o teoreticky zajímavý experiment, ale výsledky představují důležitý krok při konstrukci molekulárních strojů.
Molekuly a světlo
Už v chemii na základní škole se děti učí o takzvaném Brownově pohybu. Jde o pohyb jednotlivých částí molekul, které se vlivem tepelné energie neustále chvějí, natáčejí a mění svou polohu. A právě to představuje pro vědce, kteří se pokoušejí navrhovat a vyrábět molekulární stroje (určené například pro transport léků do buněk), zásadní problém. Je to, jako by se inženýrům pohybovaly jednotlivé díly automobilu – a oni s tím museli pracovat.
Aby z molekul vznikl fungující mechanismus, je zkrátka třeba pohyb molekul zastavit, anebo alespoň zpomalit nebo řídit. A právě to se povedlo Jiřímu Kaletovi a jeho skupině.
Vědci vytvořili molekulární systém, do něhož zabudovali dvě klíčové části: světlem ovládaný molekulární motor a rotor, který se vlivem tepelného pohybu náhodně otáčí kolem své osy. „Když na molekulu posvítíme, motor změní své prostorové uspořádání, a tím ovlivní pohyb rotoru. V uspořádání ‚odbrzděno‘ se rotor může otáčet snadno, v režimu ‚zabrzděno‘ mu motor začne prostorově překážet a výrazně zvýší energetickou bariéru, kterou musí rotor při otočení překonat,“ vysvětluje základní princip první autor studie Lukáš Severa.
Po pohlcení světelné energie se v molekule přeskupí elektrony, čímž se dočasně oslabí jedna z chemických vazeb. Molekulární motor díky tomu může změnit svůj tvar a vytvořit prostorovou překážku, která zpomaluje otáčení rotoru. Tato změna je vratná, takže motor může mezi oběma uspořádáními opakovaně přecházet.
Princip si lze představit jako ručičku volně uchycenou na ose, kterou neustále rozhýbávají drobné otřesy. Pokud jí nic nestojí v cestě, může se snadno otáčet. Když se ale do její dráhy dostane překážka, otáčení se výrazně zpomalí. V molekule tuto překážku vytváří pohyblivá část molekulárního motoru.
Podobné snahy sice existovaly už dříve, ale nová metoda je výrazně účinnější. „U dřívějších podobných systémů se dařilo rychlost rotace měnit maximálně stonásobně. Díky našemu principu jsme se posunuli ke zpomalení zhruba 300 000×, což představuje velký průlom,“ vysvětluje Jiří Kaleta.
Rozdíl mezi oběma polohami se s klesající teplotou ještě dramaticky zvětšuje. Pokud by se při velmi nízké teplotě nezabrzděný rotor otočil jednou za sekundu, zabrzděnému by za stejných podmínek trvala jediná otáčka přibližně 350 miliard let – asi pětadvacetkrát déle, než je současný věk vesmíru.