Silniki molekularne napędzane światłem słonecznym. W przyszłości mogą wychwytywać CO₂ i dostarczać leki

Naukowcy opracowali silniki molekularne, które mogą być napędzane światłem słonecznym zamiast intensywnym światłem ze źródeł laboratoryjnych. Takie mikroskopijne maszyny zamieniają energię świetlną w ukierunkowany ruch jednej części cząsteczki względem drugiej. W przyszłości mogą znaleźć zastosowanie m.in. w inteligentnych materiałach wychwytujących i uwalniających wodę, a także w precyzyjnym dostarczaniu leków.

Badania nad silnikami molekularnymi napędzanymi światłem słonecznym przeprowadził międzynarodowy zespół naukowców z udziałem dr. inż. Wojciecha Danowskiego z Uniwersytetu Warszawskiego. Wyniki opublikowano w tym roku w „Journal of the American Chemical Society”.

– Silnik to maszyna, która zamienia energię chemiczną zawartą w mieszance paliwowo-powietrznej na jednokierunkowy, ciągły obrót wału korbowego. Silniki molekularne działają w sposób analogiczny – zamieniają jakąś formę energii na jednokierunkowy obrót jednej części cząsteczki względem drugiej – mówi agencji Newseria dr inż. Wojciech Danowski, adiunkt na Wydziale Chemii UW.

Chemicy tworzą syntetyczne odpowiedniki biologicznych maszyn molekularnych występujących w komórkach żywych organizmów. To wielobiałkowe kompleksy lub białka, które w komórkach wykonują jakąś określoną pracę. Przykładowo syntaza ATP to kompleks białek, który kręci się tylko w jedną stronę – ta mechaniczna praca zamieniana jest w energię chemiczną. Inny przykład motoru molekularnego to białka kroczące, które transportują ładunki wewnątrz komórek.

W syntetycznych odpowiednikach to światło może wprawiać silniki molekularne w ruch, a ich działanie można precyzyjnie regulować przez odpowiednie zaprojektowanie struktury chemicznej cząsteczki.

Światło słoneczne napędza molekularne maszyny

– W naszej ostatniej pracy skonstruowaliśmy silnik molekularny, który napędzany jest światłem słonecznym. Zamiast wykorzystywać laboratoryjne źródło światła, czyli np. diodę luminescencyjną albo laser, które charakteryzują się dużą energią i dużą intensywnością światła, a jednocześnie bardzo wąskim zakresem widmowym, tzn. jedną konkretną długością fali, nasz silnik molekularny może wykorzystywać do swojej pracy światło słoneczne, które charakteryzuje się bardzo niską intensywnością, a także bardzo szerokim zakresem długości fal – wyjaśnia dr Wojciech Danowski.

Badania nad syntetycznymi maszynami molekularnymi zostały w 2016 r. uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii. Otrzymali ją Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart i Bernard L. Feringa. Jednym z kierunków rozwoju tej technologii jest wykorzystanie światła widzialnego zamiast stosowanego dotychczas promieniowania UV.

– Wykorzystanie światła widzialnego jest bardzo ważne, ponieważ jest to wszechobecne źródło taniej i dostępnej energii – dodaje badacz.

Silniki mogą zmieniać właściwości materiałów

Silniki opracowane przez zespół z udziałem dr. Danowskiego działają w naturalnym świetle słonecznym, także po umieszczeniu w matrycy polimerowej. Wydajność procesu fotochemicznego odpowiedzialnego za zmianę struktury cząsteczki sięgała ok. 80% i utrzymywała się na podobnym poziomie zarówno w roztworze, jak i w polimerze. Takie cząsteczki mogą w przyszłości wykonywać pracę mechaniczną, np. rozciąganie, kurczenie czy zmianę kształtu.

– To odkrycie ma dość spore potencjalne zastosowania w przyszłości, m.in. w konstrukcji inteligentnych materiałów, które będą zmieniały swoje właściwości pod wpływem światła. Mogą to być np. materiały porowate, które w ciemności będą pochłaniały gaz albo wodę, natomiast pod wpływem światła słonecznego będą je uwalniały – wskazuje naukowiec.

To oznacza, że silniki molekularne mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie w materiałach reagujących na światło. Przykładowo po wystawieniu na słońce tkaniny mogłyby zmieniać strukturę, aby ułatwić usuwanie zabrudzeń albo odpychać kurz i wodę, a karoseria aut po to, by usuwać niewielkie zarysowania. Szyby mogłyby automatycznie zmieniać przezroczystość lub ilość przepuszczanego ciepła, co pozwalałoby ograniczyć zużycie energii na klimatyzację. Innym kierunkiem jest miękka robotyka: polimerowa folia zawierająca silniki molekularne mogłaby pod wpływem światła się zwijać, wyginać lub przybierać zaprogramowany kształt.

Naukowcy myślą też o wychwytywaniu CO₂

Silniki molekularne mogą znaleźć zastosowanie także w materiałach do wychwytywania gazów, w tym dwutlenku węgla. W takim układzie porowaty materiał pochłaniałby dwutlenek węgla z powietrza, a napędzane światłem silniki molekularne umożliwiałyby jego późniejsze uwolnienie.

– Możemy sobie wyobrazić taki materiał porowaty jako gąbkę, w której pory są na tyle małe, że są zdolne do selektywnego wychwytywania określonych gazów z powietrza. Taki materiał wystawiony na światło słoneczne dzięki napędzeniu ruchu wbudowanych w niego motorów molekularnych uwalniałby zmagazynowany gaz w celu jego dalszego zmagazynowania albo wykorzystania w innych procesach chemicznych – mówi dr Wojciech Danowski.

Jak podkreśla, dziś głównym wyzwaniem w wychwytywaniu dwutlenku węgla z powietrza jest regeneracja adsorbentu, czyli uwolnienie zgromadzonego gazu i przygotowanie materiału do ponownego użycia. Według naukowca z UW może to pochłaniać ok. 40% energii zużywanej w całym procesie. Wykorzystanie do regeneracji światła słonecznego mogłoby zmniejszyć zapotrzebowanie na energię z innych źródeł.

Molekularne maszyny do transportu leków

Naukowcy badają również możliwość wykorzystania maszyn molekularnych do transportu i kontrolowanego uwalniania leków w organizmie.

– Wyobraźmy sobie, że mamy nowotwór w konkretnym miejscu i właśnie tam chcielibyśmy dostarczyć cząsteczkę leku, chemoterapeutyku, po to, żeby nie zatruwać całego organizmu, tylko konkretne, chore miejsce. Skoro mamy cząsteczkę, która jest w stanie wykonywać obrót jednokierunkowy jednej cząsteczki względem drugiej, możemy sobie wyobrazić, że taka cząsteczka mogłaby transportować cząsteczkę leku poprzez nasz organizm, skomplikowaną arterię żył i tętnic, w określone miejsce, które możemy wybrać za pomocą światła – wskazuje adiunkt na Wydziale Chemii UW.

Zanim takie rozwiązania będzie można wykorzystać w medycynie, naukowcy muszą m.in. znaleźć sposób na precyzyjne sterowanie maszynami molekularnymi w organizmie, zapewnić ich biokompatybilność i opracować metody produkcji na większą skalę.

– Od praktycznych zastosowań jesteśmy niestety jeszcze dość daleko. Horyzont czasowy, o którym mówimy, to ok. 10, 15, a nawet 20 lat. Wynika to z faktu, że synteza silników molekularnych jest wciąż dość trudna i wymagająca. Nie jesteśmy też w stanie amplifikować ruchu pojedynczych cząsteczek aż do makroskali, czyli nie jesteśmy w stanie zrobić tego, co robi matka natura, która amplifikuje ruch biologicznych maszyn molekularnych, np. w naszych mięśniach albo komórkach – podkreśla dr Danowski.

Na razie są to przede wszystkim badania podstawowe. Naukowcy próbują zwiększyć wydajność silników molekularnych, rozszerzyć zakres światła widzialnego, które może je napędzać, i obniżyć koszty ich produkcji.

– Głównym elementem ograniczającym zastosowanie tej technologii w przyszłości jest cena wytworzenia takiego silnika molekularnego. Na razie jest bardzo wysoka, ale mamy nadzieję, że w przyszłości uda się opracować lepsze metody pozwalające na wytwarzanie silników w dużej skali. Kolejnym elementem, który ogranicza ich potencjalne zastosowania w rzeczywistym świecie, jest wydajność ich pracy, która jak na razie jest niewielka – kończy ekspert.

Źródło: Newseria

Czytaj także: UG ma europejski patent na wynalazek chroniący mikroorganizmy podczas liofilizacji