Nanomachine

O mașină moleculară , sau nanomașină , ^[1] a fost definită ca un număr discret de componente moleculare care efectuează mișcări mecanice ( ieșiri ) ca răspuns la stimuli specifici ( intrări ). ^[2] Este adesea aplicat mai general moleculelor care imită pur și simplu funcțiile la nivel macroscopic. Termenul este, de asemenea, comun în nanotehnologie și au fost propuse o serie de mașini moleculare extrem de complexe, cu scopul de a construi un asamblor molecular . Mașinile moleculare pot fi împărțite în două mari categorii: sintetice și biologice.

Sistemele moleculare care sunt capabile să îndepărteze un proces mecanic sau chimic de echilibru reprezintă o ramură potențial importantă a chimiei și a nanotehnologiei . Prin definiție, aceste tipuri de sisteme sunt exemple de mașini moleculare, la fel cum gradientul generat de acest proces este capabil să facă o muncă utilă.

Studii și perspective istorice

Există două experimente mentale care constituie baza istorică a mașinilor moleculare: demonul lui Maxwell și dintele Feynman (clichet) (sau clichet Brownian ). Demonul lui Maxwell este bine descris în altă parte și o interpretare ușor diferită a dintelui lui Richard Feynman este dată aici.

Imaginați-vă un sistem foarte mic (prezentat mai jos) de două palete sau roți dințate conectate printr-un arbore rigid și că este posibil să păstrați aceste două lame la două temperaturi diferite. Unul dintre angrenaje (la T2) are un clichet care corectează mișcarea sistemului și, prin urmare, axa se poate deplasa doar în sensul acelor de ceasornic și, făcând acest lucru, ar putea ridica o greutate (m) în sus prin arponare. Acum imaginați-vă că lopata din cutia T1 se află într-un mediu mult mai cald decât uneltele din cutia T2; ar fi de așteptat ca energia cinetică a moleculelor de gaz (cercuri roșii) care lovesc lama în T1 să fie mult mai mare decât cea a moleculelor de gaz care lovesc angrenajul din T2. Prin urmare, cu energia cinetică mai mică a gazelor din T2, ar exista o rezistență minimă a moleculelor care se ciocnesc cu angrenajul în direcția statistic opusă. În plus, clichetul ar permite, prin direcționalitate și încet în timp, axa să se rotească și să arponeze, ridicând greutatea (m).

Figura schematică a clichetului lui Feynman

Așa cum este descris, acest sistem poate arăta similar cu o mașină de mișcare perpetuă, dar ingredientul cheie este gradientul termic din sistem. Acest dinte nu amenință a doua lege a termodinamicii , deoarece acest gradient de temperatură trebuie menținut prin unele mijloace externe. Mișcarea browniană a particulelor de gaz asigură puterea mașinii, iar gradientul de temperatură permite mașinii să cicleze sistemul din echilibru. O ipoteză de proiectare interesantă în dintele lui Feynman este că mișcarea browniană aleatorie nu este împiedicată, ci este în schimb valorificată și rectificată. Din păcate, gradienții de temperatură nu pot fi menținuți pe distanțe de scară moleculară datorită vibrațiilor moleculare care redistribuie energia către alte părți ale moleculei. Mai mult, deși mașina lui Feynman face o treabă utilă în ridicarea masei, utilizarea mișcării browniene pentru a alimenta o mașină la nivel molecular nu oferă nicio perspectivă asupra modului în care puterea (sau energia potențială a greutății ridicate, m) ar putea fi folosită. efectuați operații la scară nanomatică .

Studii și intuiții moderne

Spre deosebire de mișcarea macroscopică, sistemele moleculare sunt supuse în mod constant unor mișcări dinamice semnificative supuse legilor mecanicii browniene (adică mișcarea browniană ) și, ca atare, valorificarea mișcării moleculare este un proces mult mai dificil. La nivel macroscopic, multe mașini funcționează în faza gazoasă și adesea, rezistența la aer este neglijată, deoarece este nesemnificativă, dar în mod similar pentru un sistem molecular într-un mediu brownian, mișcarea moleculară este similară cu „mersul pe uragan sau la înot în melasă ". Fenomenul mișcării browniene (observat de botanistul Robert Brown , 1827) a fost explicat ulterior de Albert Einstein în 1905. Einstein a descoperit că mișcarea browniană este o consecință a scării și nu a naturii înconjurătoare. Atâta timp cât energia termică este aplicată unei molecule, aceasta va suferi mișcare browniană cu energia cinetică adecvată pentru temperatura dată. Astfel, în același mod ca strategia lui Feynman, atunci când proiectăm o mașină moleculară, pare rațional să folosim mișcarea browniană mai degrabă decât să încercăm să o contracarăm.

Similar mașinilor macroscopice, mașinile moleculare au de obicei piese în mișcare. Cu toate acestea, deși mașinile macroscopice pe care le întâlnim în viața de zi cu zi pot oferi inspirație mașinilor moleculare, este înșelător să facem analogii între strategiile lor de proiectare; dinamica scalelor de lungime, mari și mici, este pur și simplu prea diferită. Mișcarea browniană valorificată, ca și mașinile de la nivel molecular, este guvernată de legea celei de-a doua legi a termodinamicii , cu consecințele sale care sunt adesea deloc intuitive și, pentru aceasta, avem nevoie de o altă inspirație.

Deși este un proces dificil de a valorifica mișcarea browniană, natura ne-a oferit câteva modele de mișcare moleculară care fac o muncă utilă, făcând multe structuri utile pentru compartimentarea sistemelor moleculare, creând astfel distribuții distincte de non-echilibru: membranele celulare sunt un excelent exemplu. Barierele lipofile folosesc o serie de mecanisme diferite pentru a alimenta mișcarea de la un compartiment la altul.

Exemple de mașini moleculare

Dintr-o perspectivă sintetică, există două tipuri importante de mașini moleculare: comutatoare moleculare (sau navete ^[3] ) și motoare moleculare. Principala diferență dintre cele două sisteme este că un comutator afectează un sistem în funcție de stare, în timp ce un motor în funcție de traiectorie. Un comutator (sau o navetă ^[3] ) poate părea să sufere mișcare de translație, dar atunci când un comutator revine la poziția inițială, anulează orice efect mecanic și eliberează energie pentru sistem. În plus, întrerupătoarele nu pot utiliza energia chimică în mod repetat și progresiv, conducând un sistem dezechilibrat pe care îl poate folosi un motor.

Sintetic

O mare varietate de mașini moleculare destul de simple au fost sintetizate de către chimiști . Ele pot fi alcătuite dintr-o singură moleculă; cu toate acestea, ele sunt adesea construite pentru arhitecturi moleculare interblocate mecanic, cum ar fi rotaxanii și catenanii .

Motoarele moleculare sunt molecule capabile de mișcare de rotație unidirecțională alimentate de intrări de energie externe. O serie de mașini moleculare au fost sintetizate și alimentate de lumină sau de reacția cu alte molecule.

Un propulsor molecular este o moleculă care poate împinge lichidele atunci când este rotită, datorită formei sale speciale, proiectată în mod similar cu propulsoarele macroscopice. Are mai multe lame la scară moleculară atașate la un anumit unghi de pas în jurul circumferinței unui copac la scară nanomatică.

Un comutator molecular este o moleculă care poate fi mutată reversibil între două sau mai multe stări stabile. Moleculele pot fi deplasate între stări, ca răspuns la modificările de ex. PH, lumină, temperatură, curent electric, micro-mediu sau prezența unui ligand.

O navetă moleculară este o moleculă capabilă să deplaseze molecule sau ioni dintr-un loc în altul. O navetă moleculară comună este constituită de un rotaxan în care macrociclul se poate deplasa între cele două locații sau stații de-a lungul coloanei vertebrale a ghidonului (gantere).

Pensetele moleculare sunt molecule gazdă capabile să țină obiecte între brațele sale. Cavitatea deschisă a pensetelor moleculare leagă elemente prin legături necovalente, inclusiv legături de hidrogen, coordonare metalică, forțe hidrofobe, forțe van der Waals, interacțiuni π-π și / sau efecte electrostatice. Au fost raportate exemple de pensete moleculare construite din ADN și sunt considerate mașini ADN .

Un senzor molecular este o moleculă care interacționează cu un analit pentru a produce o schimbare perceptibilă. ^[4] Senzorii moleculari combină recunoașterea moleculară cu un fel de reporter , astfel încât prezența elementului să poată fi observată.

O poartă logică moleculară este o moleculă care efectuează o operație logică pe una sau mai multe intrări logice producând o singură ieșire logică. Spre deosebire de un senzor molecular, poarta logică moleculară va extrage date la ieșire numai atunci când este prezentă o anumită combinație de intrări.

Biologic

Unele mașini moleculare biologice

Mașinile moleculare mai complexe se găsesc în interiorul celulelor și includ proteine motorii, cum ar fi miozina , care este responsabilă pentru contracția musculară, kinesina , care mută sarcina din interiorul celulelor departe de nucleu, de-a lungul microtubulilor și dininei , care produce bătăile axonemale. a cililor mobil și flagella . Aceste proteine și dinamica lor la nano-scară sunt de departe cele mai complexe dintre toate mașinile moleculare care au fost construite artificial până acum.

Mecanismul detaliat al motilității ciliare a fost descris de Satir într-o lucrare din 2008. Un rezumat al abstractizării la nivel înalt este acela că

„De fapt, [cilii mobili] este o nanomașină compusă din probabil mai mult de 600 de proteine din complexe moleculare, dintre care multe funcționează și ele în mod independent ca nanomașini ^[1] ”

Teoretic

Construcția mașinilor moleculare mai complexe reprezintă o zonă activă de cercetare teoretică. Au fost proiectate o serie de molecule, cum ar fi propulsoarele moleculare , deși studiile experimentale ale acestor molecule sunt inhibate de lipsa metodelor de construcție a acestora. Aceste mașini moleculare complexe stau la baza diferitelor domenii ale nanotehnologiei , inclusiv a asamblorului molecular .

Notă

^ ^a ^b ( EN ) Peter Satir, Søren T. Christensen, Structura și funcția cililor de mamifere , în Histochimie și biologie celulară , vol. 129, nr. 6, Springer Berlin / Heidelberg, 26 martie 2008, p. 688, DOI : 10.1007 / s00418-008-0416-9 , 1432-119X. Adus la 11 septembrie 2009 (arhivat de la adresa URL originală la 28 aprilie 2020) .
^ (EN) Ballardini R.;, Balzani V.; Credeți A.; Gandolfi MT; Venturi M., Mașini artificiale la nivel molecular: ce energie să le facă să funcționeze? , în Acc. Chem. Rez. , Vol. 34, nr. 6, 2001, pp. 445–455, DOI : 10.1021 / ar000170g .
^ ^a ^b În ing. navete
^ (EN) A. Cavalcanti, Shirinzadeh B.; Freitas Jr RA; Hogg T.,Nanorobot architecture for medical target identification , în Nanotehnologie , vol. 19, nr. 1, 2008, pp. 015103 (15pp), DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 19/01/015103 .

Elemente conexe

linkuri externe

Puzzle ADN , discursuri de Andrea Ballabio (despre tehnica CRISPR ) și Francesco Ricci (mașini moleculare ADN sintetice ), știința Radio3 , 23 septembrie 2015. Accesat la 28 septembrie 2015 .

Controlul autorității	LCCN ( EN ) sh2017003525

[Satir2008-1] ( EN ) Peter Satir, Søren T. Christensen, Structura și funcția cililor de mamifere , în Histochimie și biologie celulară , vol. 129, nr. 6, Springer Berlin / Heidelberg, 26 martie 2008, p. 688, DOI : 10.1007 / s00418-008-0416-9 , 1432-119X. Adus la 11 septembrie 2009 (arhivat de la adresa URL originală la 28 aprilie 2020) .

[2] (EN) Ballardini R.;, Balzani V.; Credeți A.; Gandolfi MT; Venturi M., Mașini artificiale la nivel molecular: ce energie să le facă să funcționeze? , în Acc. Chem. Rez. , Vol. 34, nr. 6, 2001, pp. 445–455, DOI : 10.1021 / ar000170g .

[shuttle-3] În ing. navete

[4] (EN) A. Cavalcanti, Shirinzadeh B.; Freitas Jr RA; Hogg T.,Nanorobot architecture for medical target identification , în Nanotehnologie , vol. 19, nr. 1, 2008, pp. 015103 (15pp), DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 19/01/015103 .

[1]

[2]

[3]

[4]