Molekylære maskiner er (innen nanoteknologi) molekyler som kan gjøre kontrollerte mekaniske bevegelser og oppgaver ut fra ytre påvirkning. De etterligner ofte maskiner på makronivå, som brytere og motorer, men er satt sammen av atomer og molekyler istedenfor tannhjul og elektronikk. Dette gjør at de fungerer forskjellig fra store maskiner, for eksempel ved å hente energi fra omgivelsene istedenfor strøm eller drivstoff. Forskere som jobbet med molekylære maskiner vant nobelprisen i kjemi i 2016.
molekylær maskin
Bruksområder
Kinesin kan bevege seg langs mikrotubuli og «går» ved å løfte ett og ett kontaktpunkt.
Man ser for seg at syntetiske molekylære maskiner i fremtiden kan utføre lignende oppgaver som de naturlige. Så langt har det for eksempel blitt laget kunstige muskelfibre, molekylpumper og ribosomer. Man ser også for seg at de kan brukes til nanoroboter, og til porter og minneelementer i nanoelektronikk og regulerbare katalysatorer i kjemiske reaksjoner.
Den lille størrelsen til molekylære maskiner gjør dem raske og effektive, men også vanskelige å produsere og kontrollere på industriell skala. Dette fører til at de fleste syntetiske molekylære maskiner ennå ikke har mange praktiske anvendelser.
I tillegg til de syntetiske molekylære maskinene har vi de naturlige. I kroppen har vi for eksempel kinesin, som kan «gå» langs mikrotubuli og frakte med seg ulike laster. Flageller, som celler bruker til å bevege seg, drives av en motor som roterer med rundt 1000 rpm. Disse, og andre naturlige molekylære maskiner, utfører et bredt spekter av oppgaver i kroppen.
Beskrivelse
Molekylære maskiner fungerer ved å kontrollere vanlige molekylære bevegelser. På molekylær skala vil termisk energi (brownske bevegelser) gi molekyler energien til å vibrere, rotere, bevege seg og endre form. Molekylære maskiner tillater kun bestemte endringer, for eksempel å rotere kun i én retning eller flytte seg fra én stabil tilstand til en annen.
Molekylære maskiner kan bestå av flere molekyler satt sammen med mekaniske bånd, det vil si at de henger sammen uten å ha noen kjemiske bånd, litt som en kjetting.
Hvis hver løkke i kjettingen er satt sammen av kjemiske bånd, vil det mekaniske båndet være det som holder de forskjellige løkkene sammen. For å bryte et mekanisk bånd må vi først bryte et kjemisk bånd til et av molekylene, slik som i en kjetting. Molekylære maskiner med mekaniske bånd er ofte syntetiske, men de forekommer også i naturen. Molekylære maskiner kan få til bevegelse på andre måter, som for eksempel at bånd roterer eller svinger.
For å bevege molekylære maskiner trengs ofte en påvirkning utenfra, som for eksempel elektrisk ladning, lys, pH-nivå eller konsentrasjonsforskjeller. Disse kan gi den ekstra energien som setter i gang bevegelsen, eller bestemme hvilke bevegelser som er tillatt. Ved å kontrollere den ytre påvirkningen kan man dermed styre hvordan de molekylære maskinene beveger seg.
Historikk
Nanobil laget av Bernard Feringa. Den er noen få nanometer lang og blir drevet fremover av fire motorer som roterer i kun én retning når de blir lyst på med bestemte bølgelengder. Illustrasjon: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Den første som utforsket syntetiske molekylære maskiner var Eric Drexler på 1980-tallet.
Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart og Bernard Feringa vant i 2016 nobelprisen i kjemi for fremskrittene de hadde gjort på feltet. Jean-Pierre Sauvage koblet i 1983 molekylære ringer sammen i kjeder kalt katenaner, som henger sammen med mekaniske bånd heller enn kjemiske bånd. Fraser Stoddart lagde rotaxan, som består av en ring som flytter seg frem og tilbake på en stav, og Bernard Feringa lagde i 1999 en molekylær motor, som kunne brukes til å kjøre en nanobil.
Les mer i Store norske leksikon
Kommentarer
Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.
Du må være logget inn for å kommentere.