Nobela prēmija ķīmijā tiek piešķirta nanomašīnu izgudrotājiem. Molekulārās mašīnas: Nobela prēmija ķīmijā piešķirta par miniaturizāciju Nobela prēmijas laureāti ķīmijā

Nobela prēmijas ķīmijā laureāti: Žans Pjērs Sovžs, Bernārs Feringa un Freizers Stoddarts

Nobela prēmijas laureātu paziņošana ķīmijā

Maskava. 5. oktobris. tīmekļa vietne — Nobela prēmija ķīmijā 2016. gadā tika piešķirta Žanam Pjēram Sauvage, Bernāram Feringam un Freizeram Stoddartam ar formulējumu “par molekulāro mašīnu projektēšanu un sintēzi”.

Sauvage ir franču ķīmiķis, kas specializējas supramolekulārajā ķīmijā. Šī ir ķīmijas joma, kas pēta supramolekulāras struktūras - mezglus, kas sastāv no divām vai vairākām molekulām, kas tiek turētas kopā, izmantojot starpmolekulāru mijiedarbību. Sauvage kļuva par pirmo ķīmiķi, kurš sintezēja savienojumu no katenānu klases. Šo vielu molekulas sastāv no diviem gredzeniem, kas saistīti viens ar otru; Šo savienojuma veidu sauc par topoloģisko, precizē vietu N+1.

Stiepšanās un saraušanās molekulārās cilpas struktūras ilustrācija

Freizers Stoddarts, skotu zinātnieks, kurš tagad strādā ASV, paplašināja savienojumu sarakstu ar līdzīgām "neķīmiskām" saitēm, sintezējot rotaksānu. Rotaksāna molekulas sastāv no garas ķēdes, uz kuras ir brīvi piestiprināts gredzens. Pateicoties divām lielām konstrukcijām ķēdes galos, gredzens nevar no tās “nokrist”.

Stoddart radīts molekulārais pārnesums, kas var kontrolēti pārvietoties pa asi

Bernards Feringa, speciālists molekulāro nanotehnoloģiju un homogēnās katalīzes jomā, kļuva par pirmo ķīmiķi, kurš izstrādāja un sintezēja molekulāro motoru – molekulu, kas gaismas ietekmē piedzīvoja strukturālas izmaiņas un sāka griezties kā vējdzirnavu lāpstiņa. stingri norādīts virziens. 1999. gadā, izmantojot molekulāros motorus, zinātniekam izdevās panākt, ka stikla cilindrs griežas 10 tūkstošus reižu lielāks par motoru izmēru.

Molekulārās mašīnas piemērs ar četriem "riteņiem"

2015. gadā Nobela prēmijas laureāti šajā pašā kategorijā bija zviedrs Tomass Lindāls, kurš strādā Lielbritānijā, un amerikānis Pols Modrihs un turku izcelsmes zinātnieks Azizs Sankars, kurš veic pētījumus ASV. Balva viņiem piešķirta par veiktajiem pētījumiem par DNS remonta mehānismiem - īpašu šūnu funkciju, kas sastāv no spējas koriģēt ķīmiskos bojājumus un DNS molekulu lūzumus, kas rodas normālas biosintēzes laikā vai fizikālās vai ķīmiskās iedarbības rezultātā. aģenti.

Nobela prēmija ķīmijā 2014. gadā tika piešķirta amerikāņiem Ērikam Betcigam un Viljamam Moneram un vācietim Stefanam Hellam par ieguldījumu superizšķirtspējas fluorescences mikroskopijas izstrādē.

Šīs nedēļas sākumā Nobela prēmijas medicīnā (to saņēma japāņu zinātnieks Jošinori Ohsumi) un Nobela prēmijas fizikā ieguvēji (uzvarēja Deivids Tulss, Dankans Haldane un Maikls Kosterlics par darbu topoloģisko fāžu pārejās un matērijas topoloģiskās fāzēs). ) kļuva zināms.

Vienīgais Krievijas Nobela prēmijas laureāts ķīmijā līdz šim bija Nikolajs Semenovs (1896-1986) 1956. gadā kopā ar angli Sirilu Hinšelvudu par ķīmisko reakciju mehānisma pētījumiem.

Nākamais Nobela Miera prēmijas ieguvējs tiks paziņots piektdien, 7.oktobrī.

Nobela prēmijas laureāti 2016. gadā saņems 8 miljonus Zviedrijas kronu (apmēram 931 tūkstoti dolāru). Balvas pasniegšanas ceremonija tradicionāli notiks Stokholmā 10. decembrī, Nobela prēmiju dibinātāja, zviedru uzņēmēja un izgudrotāja Alfrēda Nobela (1833-1896) nāves dienā.

atzīmēja

Laureāti: francūzis Žans Pjērs Sauvage no Strasbūras universitātes, skotu sers J. Freizers Stoddarts no Ziemeļrietumu universitātes (Ilinoisa, ASV) un Bernārs L. Feringa Feringa no Groningenas Universitātes (Nīderlande).

avots: pbs.twimg.com

Balvas formulējums ir: "Par molekulāro mašīnu projektēšanu un sintēzi". Šī gada apbalvotie ir devuši ieguldījumu tehnoloģiju miniaturizācijā, kas varētu būt revolucionāra. Sauvage, Stoddart un Feringa ne tikai miniaturizēja mašīnas, bet arī piešķīra ķīmijai jaunu dimensiju.

Zinātnieki ir radījuši molekulārus mehānismus, kas var veikt virzītas kustības un tādējādi darboties kā īstas mašīnas. Tos galvenokārt var izmantot dažādos sensoros, kā arī medicīnā.

Saskaņā ar Zviedrijas Karaliskās Zinātņu akadēmijas paziņojumu presei, profesors Žans Pjērs Sauvage spēra pirmo soli ceļā uz molekulāro mašīnu 1983. gadā, kad viņš veiksmīgi savienoja kopā divas gredzenveida molekulas, veidojot ķēdi, kas pazīstama kā katenāns. Molekulas parasti satur stipras kovalentās saites, kurās atomiem ir kopīgi elektroni, bet šajā ķēdē tās savieno ar vājāku mehānisko saiti. Lai mašīna veiktu uzdevumu, tai jāsastāv no daļām, kas var kustēties viena pret otru. Divi savienoti gredzeni pilnībā atbilst šai prasībai.

Otro soli veica Freizers Stoddarts 1991. gadā, kad viņš izstrādāja rotaksānu (molekulārās struktūras veidu). Viņš iegrieza molekulāro gredzenu plānā molekulārajā asī un parādīja, ka šis gredzens var pārvietoties pa asi. Rotaksāni ir tādas attīstības pamatā kā molekulārais lifts, molekulārais muskulis un uz molekulām balstīta datora mikroshēma.

Un Bernards Feringa bija pirmais cilvēks, kurš izstrādāja molekulāro motoru. 1999. gadā viņš ieguva molekulārā rotora lāpstiņu, kas pastāvīgi griežas vienā virzienā. Izmantojot molekulāros motorus, viņš pagrieza stikla cilindru, kas bija 10 tūkstošus reižu lielāks par motoru, un zinātnieks arī izstrādāja nanoauto.

Interesanti, ka 2016. gada laureāti īpaši “nespīdēja” dažādos favorītu sarakstos, kas katru gadu parādās “Nobela nedēļas” priekšvakarā.

Starp tiem, kam šogad mediji piešķīra balvu ķīmijā, ir, piemēram, Džordžs M. Čērčs un Fens Džans (abi strādā ASV) par CRISPR-cas9 genoma rediģēšanas izmantošanu cilvēka un peles šūnās.

Izlases sarakstā bija arī Honkongas zinātnieks Deniss Lo (Dennis Lo Yukming) par viņa bezšūnu augļa DNS atklāšanu kontinentālajā plazmā, kas radīja revolūciju neinvazīvos pirmsdzemdību testos.

Tika minēti arī japāņu zinātnieku vārdi - Hiroshi Maeda un Yasuhiro Matsamura (par makromolekulāro zāļu paaugstinātas caurlaidības un aiztures efekta atklāšanu, kas ir galvenais atklājums vēža ārstēšanā).

Atsevišķos avotos varēja atrast Maskavā dzimušā ķīmiķa Aleksandra Spokoiņa vārdu, bet pēc ģimenes pārcelšanās uz Ameriku viņš dzīvoja un strādāja ASV. Viņu sauc par "ķīmijas uzlecošo zvaigzni". Starp citu, vienīgais padomju Nobela prēmijas laureāts ķīmijā bija akadēmiķis Nikolajs Semenovs 1956. gadā – par ķēdes reakciju teorijas izstrādi. Lielākā daļa šīs balvas saņēmēju ir zinātnieki no ASV. Otrajā vietā ir vācu zinātnieki, trešajā vietā britu zinātnieki.

Ķīmijas balvu var saukt par "visnobelīgāko Nobelu". Galu galā cilvēks, kurš nodibināja šo balvu, Alfrēds Nobels, bija tieši ķīmiķis, un ķīmisko elementu periodiskajā tabulā nobēlija atrodas blakus mendelevijam.

Lēmumu par šīs balvas piešķiršanu pieņem Zviedrijas Karaliskā Zinātņu akadēmija. No 1901. gada (toreiz pirmais ieguvējs ķīmijas jomā bija holandietis Džeikobs Hendriks van Hofs) līdz 2015. gadam Nobela prēmija ķīmijā tika piešķirta 107 reizes. Atšķirībā no līdzīgām balvām fizikas vai medicīnas jomā, tā biežāk tika piešķirta vienam laureātam (63 gadījumos), nevis vairākiem uzreiz. Taču par laureātiem ķīmijā kļuva tikai četras sievietes - starp tām Marija Kirī, kurai arī Nobela prēmija fizikā, un viņas meita Irēna Džolio-Kirī. Vienīgais, kurš divas reizes saņēma ķīmisko Nobela prēmiju, bija Frederiks Sangers (1958. un 1980. gadā).

Jaunākais balvas saņēmējs bija 35 gadus vecais Frederiks Džolio, kurš balvu saņēma 1935. gadā. Un vecākais bija Džons B. Fens, kuram 85 gadu vecumā tika piešķirta Nobela prēmija.

Pagājušajā gadā Nobela prēmijas laureāti ķīmijā bija Tomass Lindāls (Lielbritānija) un divi zinātnieki no ASV - Pols Modrihs un Azizs Sankars (dzimis Turcijā). Balva viņiem tika piešķirta par "DNS remonta mehāniskajiem pētījumiem".

VISAS FOTOGRĀFIJAS

2016. gada Nobela prēmija ķīmijā tika piešķirta trim zinātniekiem par molekulāro mašīnu projektēšanu un sintēzi. Balvu saņēma pētnieks no Nīderlandes Bernārs Feringa, ASV strādājošais brits Džeimss Freizers Stoddarts un francūzis Žans Pjērs Sovžs, teikts Nobela komitejas paziņojumā presei.

Zinātniekiem izdevās izstrādāt pasaulē mazākās mašīnas. Pētnieki ir spējuši savienot molekulas kopā, radot mazus liftus, mākslīgos muskuļus un mikroskopiskus motorus. "2016. gada Nobela prēmijas ieguvēji ķīmijā miniaturizēja mašīnas un paņēma ķīmiju jaunā dimensijā," teikts komitejas tīmekļa vietnē. Paziņojumā presei atzīmēts, ka, attīstoties skaitļošanas tehnoloģijām, tehnoloģiju miniaturizācija var izraisīt revolūciju.

Zinātnieku komanda ir izstrādājusi molekulas ar kontrolētām kustībām, kas var veikt uzdevumus, kad tiek pievienota enerģija. Sauvage spēra pirmo soli ceļā uz molekulāro mašīnu izveidi 1983. gadā, veidojot divu gredzenveida molekulu ķēdi, ko sauc par katenānu. Lai mašīna varētu veikt kādu uzdevumu, tai jābūt veidotai no daļām, kas var kustēties viena pret otru. Divi Sauvage savienotie gredzeni precīzi atbilda šai prasībai.

Stoddarts spēra otro soli 1991. gadā, sintezējot rotaksānu — savienojumu, kurā gredzens ir piestiprināts pie hanteles formas molekulas. Starp viņa izstrādnēm ir molekulārais lifts, molekulārais muskulis un datora mikroshēma, kas izveidota uz molekulu bāzes.

Visbeidzot, Feringa 1999. gadā demonstrēja molekulāro motoru darbību.

Paredzams, ka nākotnē molekulārās mašīnas tiks izmantotas jaunu materiālu, sensoru un enerģijas uzglabāšanas sistēmu radīšanai.

Stoddarts dzimis 1942. gadā Edinburgā. Zinātnieks specializējas supramolekulārās ķīmijas un nanotehnoloģiju jomā un strādā Ziemeļrietumu universitātē ASV Ilinoisas štatā. Sauvage dzimis Parīzē 1944. gadā, viņš nodarbojas ar zinātnisko darbību Strasbūras Universitātē, viņa specialitāte ir koordinācijas sakari. Feringa, dzimusi 1951. gadā Barger-Compaskum Nīderlandē, ir organiskās ķīmijas profesore Nīderlandes Groningenas Universitātē.

Nobela prēmijas vērtība ir 8 miljoni Zviedrijas kronu. Ķīmijas balva tiek piešķirta kopš 1901. gada (izņemot 1916., 1917., 1919., 1924., 1933., 1940., 1941. un 1942. gadu). Šogad balva tika pasniegta jau 108. reizi.

2015. gadā Nobela prēmija ķīmijā tika piešķirta zviedram Tomasam Lindālam, ASV pilsonim Polam Modrikam un turku izcelsmes amerikānim Azizam Sankaram par DNS remonta mehānismu izpēti. Zinātnieku darbs ir devis pasaulei fundamentālas zināšanas par dzīvo šūnu funkcijām un jo īpaši par to izmantošanu jaunās vēža apkarošanas metodēs, ziņo Nobela komiteja. Tiek lēsts, ka aptuveni 80–90% no visiem vēža gadījumiem rodas DNS remonta trūkuma dēļ.

Saskaņā ar noteikumiem Nobela prēmija fizikā un ķīmijā var tikt piešķirta tikai to darbu autoriem, kuri publicēti recenzējamā presē. Turklāt atklājumam jābūt patiesi nozīmīgam un pasaules zinātnieku aprindās vispāratzītam, tāpēc eksperimentālisti balvu saņem biežāk nekā teorētiķi.

Dienu iepriekš Stokholmā tika pasniegta Nobela prēmija fizikā. Apbalvojumu saņēma trīs ASV strādājošie britu zinātnieki. Brits Dankans Haldane un skotu izcelsmes amerikāņi Deivids Tuless un Maikls Kosterlics saņēma balvu par "teorētiskiem atklājumiem par matērijas topoloģiskām fāzēm un fāzēm". Zinātnieki ir izpētījuši neparastus matērijas stāvokļus. Mēs runājam par supravadītājiem, superšķidrumiem un plānām magnētiskajām plēvēm.

2016. gada Nobela prēmija fizioloģijā vai medicīnā 3. oktobrī tika piešķirta 71 gadu vecajam japāņu zinātniekam Jošinori Ohsumi. Viņš tika apbalvots par atklājumiem autofagijas jomā (no grieķu valodas "pašēdas") - process, kurā šūnas iekšējās sastāvdaļas tiek nogādātas tās lizosomās (zīdītājiem) vai vakuolās (rauga šūnās) un tiek tur pakļauti degradācijai.

2016. gada Nobela prēmijas ķīmijā ieguvēji bija Žans Pjērs Sauvage no Strasbūras Universitātes (Francija), Freizers Stoddarts no Ziemeļrietumu universitātes (ASV) un Bernards Feringa no Groningenas Universitātes (Holande). Prestižā balva tika piešķirta "par molekulāro mašīnu projektēšanu un sintēzi" - atsevišķas molekulas vai molekulāros kompleksus, kas spēj veikt noteiktas kustības, ja tiek piegādāta enerģija no ārpuses. Šīs jomas turpmāka attīstība sola sasniegumus daudzās zinātnes un medicīnas jomās.

Nobela komiteja regulāri godina darbus, kuriem papildus zinātniskajai vērtībai ir arī kāda papildu garša. Piemēram, Geima un Novoselova grafēna atklāšanā (sk. Nobela prēmiju fizikā — 2010, “Elementi”, 10.11.2010.), papildus pašam atklājumam un tā izmantošanai kvantu Hola efekta novērošanai istabas temperatūrā. , bija ievērojamas tehniskas detaļas: grafīta slāņu nolobīšana ar vienkāršu lenti. Šehtmanam, kurš atklāja kvazikristālus, ir bijusi zinātniska konfrontācija ar citu cienījamu nobelistu - Polingu, kurš paziņoja, ka "nav kvazikristālu, bet ir kvazizinātnieki".

Molekulāro mašīnu jomā, no pirmā acu uzmetiena, tāda izcēluma nav, ja neskaita faktu, ka vienam no laureātiem Stoddartam ir bruņinieku tituls (viņš nav pirmais). Bet patiesībā joprojām ir svarīga iezīme. Molekulāro mašīnu sintēze ir gandrīz vienīgā joma akadēmiskajā organiskajā ķīmijā, ko var saukt par tīro inženieriju molekulārā līmenī, kur cilvēki projektē molekulu no nulles un neliek mierā, līdz to iegūst. Dabā šādas molekulas, protams, eksistē (tā strukturējas daži organisko šūnu proteīni - miozīns, kinezīni - vai, piemēram, ribosomas), taču līdz tādai sarežģītības pakāpei cilvēki vēl ir tālu. Tāpēc pagaidām molekulārās mašīnas ir cilvēka prāta auglis no sākuma līdz beigām, bez mēģinājumiem atdarināt dabu vai izskaidrot novērotās dabas parādības.

Tātad, mēs runājam par molekulām, kurās viena daļa spēj pārvietoties attiecībā pret otru kontrolētā veidā – parasti kustībai izmantojot kādu ārēju ietekmi un siltumu. Lai izveidotu šādas molekulas, Sauvage, Stoddard un Feringa nāca klajā ar dažādiem principiem.

Sauvage un Stoddard izgatavoja mehāniski saistītas molekulas: katenāni - divi vai vairāki savstarpēji saistīti molekulārie gredzeni, kas rotē viens pret otru (1. att.), un rotaksāni - divu daļu saliktas molekulas, kurās viena daļa (gredzens) var pārvietoties gar otru (taisni). pamatne ), kam gar malām ir tilpuma grupas (aizbāžņi), lai gredzens “neaizlidotu” (2. att.).

Izmantojot iepriekš minēto koncepciju, ir izveidoti "molekulārie lifti", "molekulārie muskuļi", dažādas teorētiski interesantas molekulārās topoloģiskās struktūras un pat mākslīga ribosoma, kas spēj ļoti lēni sintezēt īsus proteīnus.

Feringhi pieeja bija principiāli atšķirīga un ļoti eleganta (3. att.). Feringhi molekulārajā motorā molekulas daļas, kas rotē viena pret otru, ir savienotas nevis mehāniski, bet ar īstu kovalento saiti - oglekļa-oglekļa dubultsaiti. Grupu rotācija ap dubultsaiti nav iespējama bez ārējas ietekmes. Šāds efekts var būt apstarošana ar ultravioleto gaismu: tēlaini izsakoties, ultravioletā gaisma selektīvi sadala vienu saiti dubultā, ļaujot griezties sekundes daļu. Visās pozīcijās Feringhi molekula ir strukturāli sasprindzināta un dubultsaite ir iegarena. Griežoties, molekula seko vismazākajai pretestībai, cenšoties atrast pozīciju ar vismazāko spriegumu. Viņai tas neizdodas, bet katrā posmā viņa griežas gandrīz tikai vienā virzienā.

Līdzīgs motors ar nelielām modifikācijām, kā parādīts 2014. gadā, spēj veikt aptuveni 12 miljonus apgriezienu sekundē (J. Vachon et al., 2014. An Ultrafast Surface-bound fotoaktīvs molekulārais motors). Skaistākā Feringhi motora izmantošana tika demonstrēta “nanomašīnā” uz zelta pamatnes (4. att.). Četri motori, kas kā riteņi piestiprināti garai molekulai, griežas vienā virzienā, un “automašīna” virzās uz priekšu.

Pašlaik tiek izstrādāts molekulārais motors, ko var aktivizēt ar redzamu gaismu, nevis UV. Ar šāda motora palīdzību saules enerģiju būs iespējams pārvērst mehāniskajā enerģijā pavisam nebijušā veidā – apejot elektrību.

Savā jaunākajā darbā, kas publicēts American Chemical Society žurnālā ( JACS), Feringa parādīja motora konstrukciju, kura rotācijas ātrumu var kontrolēt ar ķīmisku iedarbību, kā parādīts attēlā. 5. Kad molekulārajam motoram pievieno efektormolekulu (metāla dihlorīds - cinks Zn, pallādijs Pd vai platīns Pt), pēdējais maina konformāciju, kas atvieglo rotāciju. Mērījumi parādīja, ka pie 20°C no trim pārbaudītajiem efektoriem motors visātrāk griežas ar platīnu (ar frekvenci 0,13 Hz), nedaudz lēnāk ar pallādiju (0,035 Hz) un vēl lēnāk ar cinku (0,009 Hz). Maksimālais motora ātrums bez efektora ir 0,0041 Hz. Novēroto parādību apstiprināja kvantu mehāniskie aprēķini motoriskajām struktūrām ar un bez efektoriem. Aprēķini parāda, kā mainās uzbūve un cik vienkāršāka ir rotācija.

Noslēgumā ir vērts teikt, ka molekulārie motori vēl nav atraduši pielietojumu ikdienas dzīvē, taču tas gandrīz noteikti ir laika jautājums un tuvākajā nākotnē mēs redzēsim to aktīvu izmantošanu.

Avoti:
1) Nobela prēmija ķīmijā 2016 — Nobela komitejas oficiālais vēstījums.
2) Molecular Machines - detalizēts pārskats par laureātu darbu, ko sagatavojusi Nobela komiteja.
3) Adele Folknere, Tomass van Lēvens, Bens L. Feringa un Sanders J. Vezenbergs. Rotācijas ātruma allosteriskā regulēšana gaismas vadītā molekulārajā motorā // Amerikas Ķīmijas biedrības žurnāls. 2016. gada 26. septembris V. 138 (41). P. 13597–13603. DOI: 10.1021/jacs.6b06467.

Grigorijs Moļevs