Znajdź zawartość

Powstał pierwszy molekularny silnik, którego efekty pracy można wykorzystać w praktyce. Dotychczas tego typu urządzenia były jedynie ciekawostkami, gdyż nie istniało żadne połączenie pomiędzy nimi a światem zewnętrznym. Tymczasem Martin McCullagh, Ignacio Franco, Mark A. Ratner i George C. Schatz z Northwestern University wykorzystali molekułę DNA do zamiany światła w pracę mechaniczną. Wyniki swoich badań opublikowali w Journal of the American Chemical Society. Wspomniana molekuła to fragment DNA o strukturze spinki do włosów, w skład której wchodzą dwie pary zasad guanina-cytozyna połączone azobenzenem. Końcówka jednej pary zasad jest przytwierdzona do podłoża, a końcówka drugiej - do dźwigni mikroskopu sił atomowych. To właśnie mikroskop służy za interfejs łączący molekularny silnik ze światem zewnętrznym. Urządzenie działa dzięki temu, że azobenzen pod wpływem światła przechodzi izomeryzację, zmieniając się pomiędzy izomerami trans i cis. Jest ona związana ze zmianą kształtu azobenzenu, co prowadzi do poruszania się całego silnika. Proces jest odwracalny, można więc przeprowadzać go wielokrotnie. Naukowcy wiedzą, w jaki sposób uzyskać pracę netto z całego systemu. Najpierw molekułę znajdującą się w trybie cis rozciągają za pomocą końcówki mikroskopu sił atomowych, następnie światło zmienia izomer cis w bardziej sztywny izomer trans. Teraz izomer trans jest ściskany do oryginalnej wielkości silnika, po czym drugie źródło światła zmienia strukturę w izomer cis. Jako, że molekuła jest bardziej sztywna podczas jej ściskania niż rozciągania, uzyskujemy pracę netto. Energia włożona w rozciągnięcie jest bowiem mniejsza, niż energia uzyskana ze ściśnięcia. Całość działa dzięki indukowanym światłem zmianom w molekule z DNA i azobenzenu. Ze względu na konstrukcję, integralną częścią silnika jest mikroskop sił atomowych. Praca musi być wykonana na molekule i dźwigni podczas rozciągania, a energia jest pozyskiwana w czasie ściskania. Jeśli molekuła jest sztywniejsza w czasie ściskania, uzyskujemy energię netto - mówi Schatz. Naukowcy oszacowali pozyskaną energię na maksymalnie 3,4 kcal/mol przy maksymalnej wydajności 2,4%. Można to porównać z 7,3 kcal/mol pozyskiwanej z hydrolizy ATP, która jest głównym źródłem energii dla procesów biologicznych. Pozyskaliśmy obiecującą ilość energii, ale prawdziwym celem tych badań jest poszukiwanie nowych sposobów na jej konwersję. Zaproponowany przez nas silnik to punkt wyjścia do dalszych usprawnień. Pozwoli nam on ocenić możliwości maszyn zbudowanych z pojedynczej molekuły. To z kolei jest bardzo ważnym krokiem w kierunku zmiany takich maszyn z naukowej ciekawostki w źródło energii dla procesów odbywających się w nanoskali - dodaje Schatz.