Nobelova nagrada za hemiju dodjeljuje se izumiteljima nanomašina. Molekularne mašine: Nobelova nagrada za hemiju dodijeljena za minijaturizaciju Nobelovi laureati za hemiju
Dobitnici Nobelove nagrade za hemiju: Jean-Pierre Sauvage, Bernard Feringa i Fraser Stoddart
Proglašenje dobitnika Nobelove nagrade za hemiju
Moskva. 5. oktobar. web stranica - Nobelovu nagradu za hemiju 2016. dobili su Jean-Pierre Sauvage, Bernard Feringa i Fraser Stoddart uz tekst "za dizajn i sintezu molekularnih mašina".
Sauvage je francuski hemičar specijalizovan za supramolekularnu hemiju. Ovo je oblast hemije koja proučava supramolekularne strukture - sklopove koji se sastoje od dva ili više molekula koji se drže zajedno kroz međumolekularne interakcije. Sauvage je postao prvi hemičar koji je sintetizirao spoj iz klase katenana. Molekuli ovih supstanci sastoje se od dva prstena povezana jedan s drugim; Ova vrsta veze se naziva topološka, pojašnjava sajt N+1.
Ilustracija strukture molekularne petlje koja se rasteže i skuplja
Fraser Stoddart, škotski naučnik koji sada radi u SAD-u, proširio je listu jedinjenja sa sličnim "nehemijskim" vezama sintetizacijom rotaksana. Molekuli rotaksana sastoje se od dugog lanca na koji je labavo pričvršćen prsten. Zahvaljujući dvije velike strukture na krajevima lanca, prsten ne može "otpasti" s njega.
Molekularni prijenos kreiran od strane Stoddarta koji se može kretati pod kontrolom duž ose
Bernard Feringa, specijalista u području molekularne nanotehnologije i homogene katalize, postao je prvi kemičar koji je razvio i sintetizirao molekularni motor - molekulu koja je pod utjecajem svjetlosti pretrpjela strukturne promjene i počela se okretati poput oštrice vjetrenjače u strogo određenom pravcu. 1999. godine, koristeći molekularne motore, naučnik je uspio napraviti stakleni cilindar 10 hiljada puta veći od veličine motora da se okreće.
Primjer molekularne mašine sa četiri "točka"
Godine 2015. dobitnici Nobelove nagrade u istoj kategoriji bili su Šveđanin Thomas Lindahl, koji radi u Velikoj Britaniji, te Amerikanac Paul Modrich i naučnik porijeklom iz Turske Aziz Sancar, koji provodi istraživanja u Sjedinjenim Državama. Nagrada im je dodeljena za istraživanje mehanizama popravke DNK - posebne funkcije ćelija koja se sastoji u sposobnosti da ispravljaju hemijska oštećenja i lomove u molekulima DNK koji nastaju tokom normalne biosinteze ili kao posledica izlaganja fizičkim ili hemijskim dejstvima. agenti.
Nobelovu nagradu za hemiju 2014. dobili su Amerikanci Eric Betzig i William Moner i Nijemac Stefan Hell za njihov doprinos razvoju fluorescentne mikroskopije super rezolucije.
Ranije ove sedmice, dobitnici Nobelove nagrade za medicinu (koju je primio japanski naučnik Yoshinori Ohsumi) i Nobelove nagrade za fiziku (dobitnici su bili David Thoules, Duncan Haldane i Michael Kosterlitz za svoj rad na topološkim faznim prijelazima i topološkim fazama materija) postala poznata.
Jedini ruski nobelovac za hemiju do danas bio je Nikolaj Semenov (1896-1986) 1956. godine, zajedno sa Englezom Cyrilom Hinshelwoodom, za svoja istraživanja mehanizma hemijskih reakcija.
Sljedeći dobitnik Nobelove nagrade za mir biće proglašen u petak, 7. oktobra.
Dobitnici Nobelove nagrade u 2016. godini dobiće 8 miliona švedskih kruna (oko 931 hiljadu dolara). Ceremonija dodele tradicionalno će se održati u Stokholmu 10. decembra, na dan smrti osnivača Nobelove nagrade, švedskog preduzetnika i pronalazača Alfreda Nobela (1833-1896).
primetio
Laureati: Francuz Jean-Pierre Sauvage sa Univerziteta u Strazburu, rođeni Škot Sir J. Fraser Stoddart sa Univerziteta Northwestern (Illinois, SAD) i Bernard L. Feringa. Feringa) sa Univerziteta Groningen (Holandija).
izvor: pbs.twimg.com
Formulacija nagrade glasi: „za dizajn i sintezu molekularnih mašina“. Ovogodišnji dobitnici su doprinijeli minijaturizaciji tehnologije koja bi mogla biti revolucionarna. Sauvage, Stoddart i Feringa nisu samo minijaturizirali mašine, već su hemiji dali i novu dimenziju.
Naučnici su stvorili molekularne mehanizme koji mogu praviti usmjerene pokrete i na taj način djelovati kao prave mašine. Mogu se koristiti prvenstveno u raznim senzorima, kao iu medicini.
Prema saopštenju za štampu Kraljevske švedske akademije nauka, profesor Jean-Pierre Sauvage napravio je prvi korak ka molekularnoj mašini 1983. godine kada je uspješno povezao dva prstenasta molekula zajedno kako bi formirao lanac poznat kao katenan. Molekule se obično drže zajedno jakim kovalentnim vezama u kojima atomi dijele elektrone, ali u ovom lancu spojeni su labavijom mehaničkom vezom. Da bi mašina izvršila zadatak, mora se sastojati od delova koji se mogu kretati jedan u odnosu na drugi. Dva spojena prstena u potpunosti ispunjavaju ovaj zahtjev.
Drugi korak napravio je Fraser Stoddart 1991. godine kada je razvio rotaksan (vrstu molekularne strukture). On je uvukao molekularni prsten u tanku molekularnu osu i pokazao da se ovaj prsten može kretati duž ose. Rotaksani su osnova za razvoj kao što su molekularni lift, molekularni mišić i kompjuterski čip zasnovan na molekulama.
A Bernard Feringa je bio prva osoba koja je razvila molekularni motor. Godine 1999. dobio je molekularnu lopaticu rotora koja se stalno rotira u jednom smjeru. Koristeći molekularne motore, rotirao je stakleni cilindar koji je bio 10 hiljada puta veći od motora, a naučnik je razvio i nanoautomobil.
Zanimljivo je da laureati iz 2016. nisu posebno “blistali” na raznim listama favorita koje se pojavljuju svake godine uoči “Nobelove sedmice”.
Među onima kojima su masovni mediji ove godine predvidjeli nagradu iz hemije su, na primjer, George M. Church i Feng Zhang (obojica rade u SAD) za korištenje CRISPR-cas9 uređivanja genoma u ljudskim i mišjim stanicama.
Na listi favorita bio je i hongkonški naučnik Dennis Lo (Dennis Lo Yukming) za svoje otkriće fetalne DNK bez ćelija u plazmi kopna, što je revolucioniralo neinvazivno prenatalno testiranje.
Pominjana su i imena japanskih naučnika - Hiroši Maeda i Jasuhiro Matsamura (za otkriće efekta povećane permeabilnosti i zadržavanja makromolekularnih lekova, što je ključno otkriće za lečenje raka).
U nekim izvorima se moglo naći i ime hemičara Aleksandra Spokoinija, koji je rođen u Moskvi, ali je nakon preseljenja porodice u Ameriku živeo i radio u SAD. Nazivaju ga "zvijezda hemije u usponu". Inače, jedini sovjetski dobitnik Nobelove nagrade za hemiju bio je akademik Nikolaj Semenov 1956. godine – za razvoj teorije lančanih reakcija. Većina dobitnika ove nagrade su naučnici iz Sjedinjenih Država. Na drugom mjestu su njemački naučnici, na trećem britanski naučnici.
Nagrada za hemiju bi se mogla nazvati „najNobelovijom od Nobelovaca“. Uostalom, čovjek koji je utemeljio ovu nagradu, Alfred Nobel, bio je upravo hemičar, a u Periodnom sistemu hemijskih elemenata nobelijum se nalazi pored mendelevija.
Odluku o dodjeli ove nagrade donosi Kraljevska švedska akademija nauka. Od 1901. godine (tada je prvi dobitnik u oblasti hemije bio Holanđanin Jacob Hendrik van't Hoff) do 2015. Nobelova nagrada za hemiju dodijeljena je 107 puta. Za razliku od sličnih nagrada iz oblasti fizike ili medicine, češće je dodijeljena jednom laureatu (u 63 slučaja), a ne nekoliko odjednom. Međutim, samo četiri žene postale su laureati iz hemije - među njima i Marie Curie, koja je dobila i Nobelovu nagradu za fiziku, i njena ćerka Irene Joliot-Curie. Jedina osoba koja je dva puta dobila hemijsku Nobelovu nagradu bio je Frederick Sanger (1958. i 1980.).
Najmlađi dobitnik bio je 35-godišnji Frédéric Joliot, koji je dobio nagradu 1935. godine. A najstariji je bio John B. Fenn, koji je dobio Nobelovu nagradu u 85. godini.
Prošle godine Nobelovci za hemiju bili su Thomas Lindahl (Velika Britanija) i dva naučnika iz SAD-a - Paul Modrich i Aziz Sancar (rodom iz Turske). Nagrada im je dodijeljena za “mehaničke studije popravke DNK”.
SVE FOTOGRAFIJE
Nobelova nagrada za hemiju 2016. dodijeljena je trojici naučnika za dizajn i sintezu molekularnih mašina. Nagradu su primili istraživač iz Holandije Bernard Feringa, Britanac koji radi u Sjedinjenim Državama, James Fraser Stoddart i Francuz Jean-Pierre Sauvage, navodi se u saopštenju Nobelovog komiteta.
Naučnici su uspjeli razviti najmanje mašine na svijetu. Istraživači su uspjeli povezati molekule, stvarajući male dizalice, umjetne mišiće i mikroskopske motore. "Dobitnici Nobelove nagrade za hemiju za 2016. minijaturizirali su mašine i odveli hemiju u novu dimenziju", navodi se na web stranici komiteta. U saopštenju se navodi da bi razvojem računarske tehnologije minijaturizacija tehnologije mogla dovesti do revolucije.
Tim naučnika razvio je molekule s kontroliranim pokretima koji mogu obavljati zadatke kada se doda energija. Sauvage je napravio prvi korak ka stvaranju molekularnih mašina 1983. godine, formirajući lanac od dva prstenasta molekula nazvana katenan. Da bi mašina izvršila zadatak, ona mora biti sastavljena od delova koji se mogu kretati jedan u odnosu na drugi. Dva prstena spojena od strane Sauvagea ispunjavala su upravo ovaj zahtjev.
Stoddart je napravio drugi korak 1991. godine, sintetizirajući rotaksan, spoj u kojem je prsten vezan za molekul u obliku bučice. Među njegovim razvojima su molekularni lift, molekularni mišić i kompjuterski čip kreiran na bazi molekula.
Konačno, Feringa je demonstrirao rad molekularnih motora 1999. godine.
Očekuje se da će se u budućnosti molekularne mašine koristiti za stvaranje novih materijala, senzora i sistema za skladištenje energije.
Stoddart je rođen 1942. godine u Edinburgu. Naučnik je specijalizovan za oblast supramolekularne hemije i nanotehnologije i radi na Univerzitetu Northwestern u američkoj državi Illinois. Sauvage je rođen u Parizu 1944. godine, bavi se naučnim radom na Univerzitetu u Strazburu, specijalnost mu je koordinaciona veza. Feringa, rođena 1951. godine u Barger-Compaskumu u Holandiji, profesorica je organske hemije na holandskom univerzitetu Groningen.
Nobelova nagrada vrijedi 8 miliona švedskih kruna. Nagrada za hemiju dodjeljuje se od 1901. godine (osim 1916., 1917., 1919., 1924., 1933., 1940., 1941. i 1942.). Ove godine nagrada je dodijeljena po 108. put.
Godine 2015. Nobelovu nagradu za hemiju dobili su Šveđanin Thomas Lindahl, američki državljanin Paul Modrić i Tursko-Amerikanac Aziz Sancar za njihova istraživanja mehanizama popravke DNK. Rad naučnika dao je svijetu temeljna znanja o funkcijama živih ćelija, a posebno o njihovoj upotrebi u novim metodama borbe protiv raka, objavio je Nobelov komitet. Procjenjuje se da je oko 80-90% svih karcinoma uzrokovano nedostatkom popravke DNK.
Prema pravilima, Nobelova nagrada za fiziku i hemiju može se dodijeliti samo autorima radova objavljenih u recenziranoj štampi. Osim toga, otkriće mora biti istinski značajno i univerzalno priznato od strane svjetske naučne zajednice, zbog čega eksperimentalisti dobijaju nagradu češće nego teoretičari.
Dan ranije u Stokholmu je dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku. Nagradu su dobila tri britanska naučnika koji rade u Sjedinjenim Državama. Britanac Duncan Haldane i škotski Amerikanci David Thouless i Michael Kosterlitz dobili su nagradu za “teorijska otkrića topoloških faznih prijelaza i topoloških faza materije”. Naučnici su istraživali neobična stanja materije. Govorimo o supravodnicima, superfluidima i tankim magnetnim filmovima.
Nobelova nagrada za fiziologiju i medicinu za 2016. dodijeljena je 3. oktobra 71-godišnjem japanskom naučniku Yoshinoriju Ohsumiju. Nagrađen je za svoja otkrića u oblasti autofagije (od grčkog "samo-jedenje") - procesa u kojem se unutrašnje komponente ćelije dostavljaju u njene lizozome (kod sisara) ili vakuole (u ćelijama kvasca) i tamo podvrgnuti degradaciji.
Dobitnici Nobelove nagrade za hemiju 2016. bili su Jean-Pierre Sauvage sa Univerziteta u Strazburu (Francuska), Fraser Stoddart sa Univerziteta Northwestern (SAD) i Bernard Feringa sa Univerziteta Groningen (Holandija). Prestižna nagrada dodijeljena je “za dizajn i sintezu molekularnih mašina” - pojedinačnih molekula ili molekularnih kompleksa koji mogu izvršiti određene pokrete kada se snabdijevaju energijom izvana. Dalji razvoj ove oblasti obećava napredak u mnogim oblastima nauke i medicine.
Nobelov komitet redovno odaje priznanje radovima koji, osim naučne vrijednosti, imaju i neki dodatni polet. Na primjer, u otkriću grafena od strane Geima i Novoselova (vidi Nobelovu nagradu za fiziku - 2010, “Elementi”, 10/11/2010), pored samog otkrića i njegove upotrebe za posmatranje kvantnog Holovog efekta na sobnoj temperaturi , bilo je izuzetnih tehničkih detalja: guljenje slojeva grafita jednostavnom trakom. Šehtman, koji je otkrio kvazikristale, imao je istoriju naučnog suočavanja sa drugim uglednim nobelistom - Paulingom, koji je izjavio da „ne postoje kvazikristali, ali postoje kvazi-naučnici“.
U oblasti molekularnih mašina, na prvi pogled, ne postoji takav vrhunac, osim činjenice da jedan od laureata, Stoddart, ima vitešku titulu (nije prvi). Ali u stvari, još uvijek postoji važna karakteristika. Sinteza molekularnih mašina gotovo je jedino područje u akademskoj organskoj hemiji koje se može nazvati čistim inženjeringom na molekularnom nivou, gdje ljudi dizajniraju molekulu od nule i ne miruju dok je ne dobiju. U prirodi, takvi molekuli, naravno, postoje (tako su strukturirani neki proteini organskih stanica - miozin, kinezini - ili, na primjer, ribozomi), ali ljudi su još daleko od dostizanja takve razine složenosti. Stoga su za sada molekularne mašine plod ljudskog uma od početka do kraja, bez pokušaja oponašanja prirode ili objašnjenja uočenih prirodnih pojava.
Dakle, govorimo o molekulima u kojima se jedan dio može kretati u odnosu na drugi na kontroliran način - obično koristeći neke vanjske utjecaje i toplinu za kretanje. Da bi stvorili takve molekule, Sauvage, Stoddard i Feringa su smislili različite principe.
Sauvage i Stoddard su napravili mehanički povezane molekule: katenane - dva ili više povezanih molekularnih prstena koji se rotiraju jedan u odnosu na drugi (slika 1), i rotaksane - kompozitne molekule od dva dijela, u kojima se jedan dio (prsten) može kretati duž drugog (ravno). baza ), koji imaju volumetrijske grupe (čepove) duž ivica tako da prsten „ne odleti“ (slika 2).
Koristeći gornji koncept, stvoreni su "molekularni elevatori", "molekularni mišići", razne molekularne topološke strukture od teorijskog interesa, pa čak i umjetni ribosom sposoban vrlo sporo sintetizirati kratke proteine.
Feringhijev pristup je bio fundamentalno drugačiji i vrlo elegantan (slika 3). U Feringhi molekularnom motoru, dijelovi molekula koji se rotiraju jedan u odnosu na drugi nisu povezani mehanički, već stvarnom kovalentnom vezom - dvostrukom vezom ugljik-ugljik. Rotacija grupa oko dvostruke veze je nemoguća bez vanjskog utjecaja. Takav efekat može biti zračenje ultraljubičastom svjetlošću: figurativno rečeno, ultraljubičasto svjetlo selektivno razbija jednu vezu u dvostruku, omogućavajući rotaciju za djelić sekunde. U svim pozicijama, Feringhijev molekul je strukturno napregnut, a dvostruka veza je izdužena. Prilikom okretanja, molekul prati najmanji otpor, pokušavajući pronaći poziciju s najmanjom napetošću. Ona to ne uspijeva, ali se u svakoj fazi okreće gotovo isključivo u jednom smjeru.
Sličan motor sa manjim modifikacijama, kao što je prikazano 2014. godine, sposoban je za približno 12 miliona okretaja u sekundi (J. Vachon et al., 2014. Ultrabrzi površinski vezan fotoaktivni molekularni motor). Najljepša upotreba Feringhi motora prikazana je u “nanomašini” na zlatnoj podlozi (slika 4). Četiri motora, pričvršćena kao točkovi na dugačku molekulu, rotiraju u jednom pravcu, a „automobil“ se kreće napred.
Trenutno je u toku razvoj molekularnog motora koji se može aktivirati vidljivom svjetlošću umjesto UV. Uz pomoć takvog motora biće moguće pretvoriti solarnu energiju u mehaničku energiju na potpuno neviđen način - zaobilazeći električnu energiju.
U svom najnovijem radu, objavljenom u Journal of the American Chemical Society ( JACS), Feringa je pokazao dizajn motora čija se brzina rotacije može kontrolirati kemijskim djelovanjem, kao što je prikazano na sl. 5. Kada se efektorski molekul (metalni dihlorid - cink Zn, paladijum Pd ili platina Pt) doda molekularnom motoru, ovaj drugi menja konformaciju, što olakšava rotaciju. Mjerenja su pokazala da se na 20°C, od tri testirana efektora, motor najbrže rotira s platinom (sa frekvencijom od 0,13 Hz), nešto sporije sa paladijumom (0,035 Hz) i još sporije sa cinkom (0,009 Hz). Maksimalna brzina motora bez efektora je 0,0041 Hz. Uočeni fenomen je potvrđen kvantno-mehaničkim proračunima motoričkih struktura sa i bez efektora. Proračuni pokazuju kako se konformacija mijenja i koliko je rotacija lakša.
U zaključku, vrijedi reći da molekularni motori još nisu našli primjenu u svakodnevnom životu, ali je gotovo sigurno pitanje vremena i u bliskoj budućnosti ćemo vidjeti njihovu aktivnu upotrebu.
Izvori:
1) Nobelova nagrada za hemiju 2016 - zvanična poruka Nobelovog komiteta.
2) Molekularne mašine - detaljan pregled rada laureata, koji je pripremio Nobelov komitet.
3) Adele Faulkner, Thomas van Leeuwen, Ben L. Feringa i Sander J. Wezenberg. Alosterična regulacija brzine rotacije u molekularnom motoru koji pokreće svjetlo // Journal of the American Chemical Society. 26. septembar 2016. V. 138 (41). P. 13597–13603. DOI: 10.1021/jacs.6b06467.
Grigorij Molev
