De natuur gebruiken voor inspiratie, een team van wetenschappers van de Northwestern University is de eerste die een volledig kunstmatige moleculaire pomp heeft ontwikkeld, waarin moleculen andere moleculen pompen. Deze kleine machine is geen geringe prestatie. De pomp zou ooit kunnen worden gebruikt om andere moleculaire machines aan te drijven, zoals kunstmatige spieren.

De nieuwe machine bootst het pompmechanisme na van levensondersteunende eiwitten die kleine moleculen rond levende cellen verplaatsen om energie uit voedsel te metaboliseren en op te slaan. Voor zijn eten, de kunstmatige pomp haalt zijn energie uit chemische reacties, moleculen stap voor stap van een toestand met lage energie naar een toestand met hoge energie sturen - ver weg van evenwicht.

Terwijl de natuur miljarden jaren heeft gehad om haar complexe moleculaire machinerie te perfectioneren, de moderne wetenschap begint nog maar aan de oppervlakte te komen van wat mogelijk zou kunnen zijn in de wereld van morgen.

"Onze moleculaire pomp is radicale chemie - een ingenieuze manier om energie over te dragen van molecuul naar molecuul, zoals de natuur doet, zei Sir Fraser Stoddart, de senior auteur van de studie. Stoddart is de Board of Trustees Professor of Chemistry in Northwestern's Weinberg College of Arts and Sciences.

"Alle levende organismen, inclusief mensen, moeten continu moleculen transporteren en herverdelen rond hun cellen, met behulp van vitale dragereiwitten, " zei hij. "We proberen de acties van deze eiwitten na te bootsen met behulp van relatief eenvoudige kleine moleculen die we in het laboratorium maken."

Details van de kunstmatige moleculaire pomp werden op 18 mei gepubliceerd door het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Chuyang Cheng, een vierdejaarsstudent in het laboratorium van Stoddart en eerste auteur van het artikel, heeft zijn Ph.D. studies die moleculen onderzoeken die de biochemische machinerie van de natuur nabootsen. Twee jaar geleden ontwierp hij voor het eerst een kunstmatige pomp, maar het vergde meer dan een jaar van het testen van prototypes voordat hij de ideale chemische structuur vond.

"In sommige opzichten, we vragen de moleculen zich te gedragen op een manier die ze normaal niet zouden doen, " zei Cheng. "Het is net alsof je twee magneten tegen elkaar probeert te duwen. De ringvormige moleculen waarmee we werken stoten elkaar onder normale omstandigheden af. De kunstmatige pomp is in staat om een ​​deel van de energie af te zuigen die tijdens een chemische reactie van eigenaar verandert en gebruikt het om de ringen samen te duwen."

De kleine moleculaire machine rijgt de ringen om een ​​nanoscopische ketting - een soort as - en knijpt de ringen samen, met slechts enkele nanometers ertussen. Momenteel, de kunstmatige moleculaire pomp kan slechts twee ringen samendrukken, maar de onderzoekers denken dat het niet lang zal duren voordat ze de werking kunnen uitbreiden tot tientallen ringen en meer energie kunnen opslaan.

Het team van Stoddart doet al enkele jaren onderzoek naar kunstmatige moleculaire machines. Een uitdaging waar ze al lang mee te maken hebben, is hoe ze hun machines moeten aandrijven. Deze laatste vooruitgang kan hen in staat stellen om machines te maken die taken op moleculair niveau uitvoeren.

Vergeleken met het systeem van de natuur, de kunstmatige pomp is heel eenvoudig, maar het is een begin, zeggen de onderzoekers. Ze hebben een nieuw systeem ontworpen, het gebruik van kinetische barrières, waardoor moleculen energetisch "bergopwaarts" kunnen stromen.

"Dit is niet-evenwichtschemie, bewegende moleculen ver weg van hun minimale energietoestand, wat essentieel is voor het leven, " zei Paul R. Anderling, een auteur van de studie. "Het op deze manier uitvoeren van niet-evenwichtschemie, met eenvoudige kunstmatige moleculen, is een van de grootste uitdagingen voor de wetenschap in de 21e eeuw."

uiteindelijk, ze zijn van plan de energie die in hun pomp is opgeslagen te gebruiken om kunstmatige spieren en andere moleculaire machines aan te drijven. De onderzoekers hopen ook dat hun ontwerp andere chemici zal inspireren die werken in niet-evenwichtschemie.

"Dit is totaal anders dan het proces van het ontwerpen van de machines die we in het dagelijks leven gewend zijn, ' zei Stoddart. 'In zekere zin, men moet leren de dingen te zien vanuit het oogpunt van de moleculen, rekening houdend met krachten zoals willekeurige thermische beweging die men nooit zou overwegen bij het bouwen van een landbouwwaterpomp of een ander mechanisch apparaat."