Polski naukowiec projektuje silniki wielkości kilku atomów! Napędza je światło!
Naukowcy zbudowali niezwykle małe silniki, które obracają się pod wpływem światła. W pracach zespołu noblisty Bena Feringi uczestniczy dr Wojciech Danowski z Uniwersytetu Warszawskiego.
Silnik nie musi mieć tłoków, wału ani układu zapłonowego. Naukowcy potrafią już zbudować go z pojedynczej cząsteczki, a następnie uruchomić za pomocą zwykłego światła! Najnowsze silniki molekularne nie potrzebują już lasera ani promieniowania ultrafioletowego. Wystarcza im światło słoneczne.
Nową rodzinę takich cząsteczek opracował międzynarodowy zespół kierowany przez prof. Bena Feringę, laureata Nagrody Nobla w dziedzinie chemii. W badaniach uczestniczył dr inż. Wojciech Danowski z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego. Wyniki opublikowano w „Journal of the American Chemical Society”.
Naukowcy uzyskali nawet 80-procentową wydajność kwantową reakcji. Oznacza to, że około osiem na dziesięć pochłoniętych fotonów wywołuje oczekiwaną zmianę budowy cząsteczki, która jest jednym z etapów jej obrotu. To wynik lepszy niż osiągany przez retinal – naturalną cząsteczkę umożliwiającą nam widzenie.
Silniki molekularne od dawna pracują w naszych komórkach
Maszyny molekularne nie są wynalazkiem człowieka. Każda żywa komórka zawiera ogromną liczbę białek, które przenoszą ładunki, napinają mięśnie, kopiują materiał genetyczny albo wytwarzają energię. Bez ich uporządkowanej pracy życie nie mogłoby istnieć.
– To są białka, które wykonują określony, kierunkowy ruch i zamieniają go na pracę mechaniczną lub chemiczną. Dzięki nim w ogóle żyjemy – wyjaśnił w rozmowie z serwisem Nauka w Polsce dr Wojciech Danowski.
Do takich naturalnych maszyn należą kinezyny. Poruszają się wzdłuż mikrotubul, czyli niewielkich szlaków znajdujących się wewnątrz komórek, i transportują po nich różne ładunki. Można je porównać do mikroskopijnych tragarzy, którzy stawiają kolejne kroki po wyznaczonej trasie.
Innym przykładem są białka umożliwiające pracę mięśni. Każde z nich wykonuje bardzo mały ruch, lecz jednoczesna praca ogromnej liczby takich cząsteczek pozwala nam podnieść rękę, zrobić krok albo zacisnąć dłoń.
Jak obraca się silnik zbudowany z jednej cząsteczki?
Syntetyczny silnik cząsteczkowy składa się z dwóch połączonych części. Jedna pełni funkcję nieruchomego korpusu, druga – wirnika. Gdy cząsteczka pochłonie foton, zmienia swój kształt. Kolejne przemiany powodują, że ruch nie jest przypadkowy: wirnik wykonuje pełny obrót zawsze w tym samym kierunku.
To właśnie kierunkowość odróżnia silnik od zwykłej cząsteczki poddanej chaotycznym drganiom. W świecie atomów wszystko nieustannie się porusza pod wpływem energii cieplnej. Zadaniem chemików jest takie zaprojektowanie cząsteczki, aby część tej energii zamieniła się w uporządkowaną pracę.
– Nasze maszyny są dużo, dużo mniejsze. To tylko kilkanaście atomów węgla, podczas gdy w przypadku biologicznej syntazy ATP mówimy o kilku tysiącach takich atomów – tłumaczył dr Danowski.
Naukowiec podkreślił, że zasada pracy syntetycznego silnika przypomina mechanizmy znane z żywych komórek: jedna część cząsteczki wykonuje jednokierunkowy ruch względem drugiej. Różnica polega przede wszystkim na rozmiarze. Naturalne maszyny to rozbudowane białka, natomiast ich sztuczne odpowiedniki mają znacznie prostszą budowę.
Przełomowa technologia z Gdańska. Naukowcy wynaleźli nowy sposób oczyszczania powietrza
Słońce napędza silniki molekularne
Pierwsze syntetyczne silniki molekularne napędzane światłem miały poważne ograniczenie. Do pracy potrzebowały promieniowania UV, lasera albo mocnych diod. Promieniowanie ultrafioletowe szkodzi żywym komórkom, a specjalistyczne źródła światła utrudniają wykorzystanie takich cząsteczek poza laboratorium.
Zespół Bena Feringi zmodyfikował klasyczny szkielet silnika, dodając do niego odpowiednio dobrane grupy chemiczne. Szczególnie dobre wyniki przyniosła para-formylacja, czyli umieszczenie grupy formylowej w określonym miejscu cząsteczki. Dzięki tej zmianie silnik skuteczniej pochłania światło widzialne.
– Otrzymane motory wykazują bardzo wysoką czułość na światło słoneczne zarówno w roztworze, jak i po wprowadzeniu do matrycy polimerowej – wyjaśnił dr Wojciech Danowski.
To ważne, ponieważ cząsteczki zachowały swoje właściwości nie tylko w cieczy. Pracowały również po umieszczeniu w polimerze, czyli materiale, z którego w przyszłości mogłyby powstawać powierzchnie reagujące na światło. Takie tworzywo mogłoby zmieniać kształt, sztywność lub inne właściwości pod wpływem słońca.
Badacze przygotowali całą bibliotekę podobnych silników. Sprawdzili, jak niewielkie różnice w ich budowie wpływają na szybkość obrotu, pochłanianie światła i możliwość łączenia z innymi cząsteczkami. W ten sposób otrzymali zestaw reguł, które ułatwią projektowanie kolejnych maszyn do konkretnych zadań.
Kobiety w kokpicie: badanie z Uniwersytetu Waterloo pokazuje, że pod presją radzą sobie lepiej niż mężczyźni
Sztuczne silniki lepsze od naturalnych
Najlepsze z badanych cząsteczek osiągnęły wydajność kwantową fotoizomeryzacji na poziomie 80 proc. Nie oznacza to, że 80 proc. całej energii słonecznej zmieniło się w pracę mechaniczną. Wynik mówi, jak często pochłonięty foton skutecznie wywołał oczekiwaną przemianę cząsteczki.
Dla porównania izomeryzacja retinalu w rodopsynie osiąga wydajność około 67 proc. Retinal znajduje się w światłoczułym białku obecnym w siatkówce oka. Po pochłonięciu światła zmienia kształt, rozpoczynając serię reakcji, dzięki którym mózg otrzymuje informację o obrazie.
– W tym zakresie pobiliśmy już więc przyrodę, ale wydaje się nam, że możemy jeszcze więcej – powiedział dr Danowski.
Celem naukowców jest dojście do sytuacji, w której niemal każdy pochłonięty foton wywoła odpowiednią zmianę. Dr Danowski uważa, że wydajność reakcji sięgająca 100 proc. jest możliwa. Taki wynik ograniczyłby straty energii już na pierwszym etapie pracy molekularnego mechanizmu.
Jeden silnik to za mało. Potrzebne są miliardy
Obrotu pojedynczego silnika nie zobaczymy gołym okiem. Cząsteczka jest zbyt mała, a w roztworze znajduje się ogromna liczba silników ustawionych w różnych kierunkach. Każdy z nich pracuje osobno, dlatego ich ruchy nie składają się jeszcze na widoczny efekt.
Największym wyzwaniem jest zmuszenie miliardów cząsteczek do wspólnej, uporządkowanej pracy. Dopiero wtedy ruch na poziomie molekularnym mógłby zmienić kształt materiału, otworzyć mikroskopijny zawór albo przemieścić niewielki ładunek. Zdaniem dr. Danowskiego osiągnięcie takiego efektu znajduje się w zasięgu nauki.
Nie należy jednak oczekiwać, że nanosilniki napędzane światłem wkrótce zastąpią tradycyjne silniki albo poprawią wydajność paneli fotowoltaicznych. Badania znajdują się na znacznie wcześniejszym etapie. Naukowcy dopiero uczą się łączyć pracę pojedynczych cząsteczek z widocznym ruchem całego materiału.
Najbardziej prawdopodobne zastosowania to inteligentne tworzywa, precyzyjne systemy dostarczania leków, molekularne przełączniki oraz materiały, których właściwości można zmieniać światłem bez dotykania ich i podłączania przewodów.
Turbiny wiatrowe a zdrowie. Naukowcy sprawdzili, czy życie obok wiatraków szkodzi
Światło słoneczne pomoże wychwytywać dwutlenek węgla?
Dr Wojciech Danowski widzi interesującą możliwość wykorzystania silników molekularnych do regenerowania materiałów pochłaniających dwutlenek węgla. Obecnie odtworzenie takiego absorbera, aby mógł ponownie przyjąć CO2, wymaga dużych ilości energii i podnosi koszt całego procesu.
– Bardzo bym chciał, aby dzięki molekularnym silniczkom powstała nowa generacja absorberów dwutlenku węgla – powiedział chemik. Jak wyjaśnił, materiały mogłyby pochłaniać CO2 nocą, a w dzień uwalniać go w kontrolowanych warunkach. Następnie gaz można byłoby wykorzystać do produkcji użytecznych związków chemicznych.
W tym pomyśle światło słoneczne nie wytwarzałoby prądu, lecz bezpośrednio zmieniało budowę absorbera i przygotowywało go do kolejnego cyklu pracy. Darmowa energia słońca zastąpiłaby więc część energii potrzebnej dziś do odzyskiwania dwutlenku węgla.
Na razie jest to kierunek dalszych badań, a nie gotowa technologia. Nowe silniki rozwiązały jednak jeden z podstawowych problemów: potrafią skutecznie pracować pod wpływem naturalnego światła. Teraz chemicy muszą nauczyć je współdziałania i wykonywania konkretnej pracy.
– Fascynuje mnie to, że potrafimy projektować cząsteczki o tak prostej strukturze, a jednocześnie zdolne do wykonywania niezwykle złożonych procesów mechanicznych – podsumował dr Danowski.
Źródło: naukawpolsce.pl
Tarator na upały. Bułgarski chłodnik, który zrobisz w 10 minut
Nawet 3500 zł na ogrzewanie. Wniosek tylko do 31 sierpnia
