En stor maskin, som passasjerflyet Airbus A380, er unektelig et imponerende skue. Også en liten maskin, som et presist mekanisk urverk, blir gjenstand for beundring. Men hvor liten kan egentlig en maskin bli?
Den visjonære fysikeren Richard Feynman forklarte allerede i 1959 i foredraget «There is plenty of room at the bottom» at bare atomets størrelse setter grensen for hvor liten en maskin bli. Han så for seg maskiner bygget opp av en håndfull molekyler, hvert bare noen hundre pikometer stort (en pikometer er en milliondels mikrometer).
Et lite knippe molekyler bundet sammen av svake krefter på denne måten kalles et supramolekyl (mer presist supramolekylært kompleks), og en molekylær maskin kan defineres som et supramolekyl som kan utføre mekaniske bevegelser når det tilføres energi i form av for eksempel lys eller elektriske impulser.
Hvordan gå fra teori til praksis
Feynmans idé er fascinerende, og har inspirert mange kjemikere og fysikere i deres arbeid. Det er imidlertid betydelige utfordringer når en har forsøkt å utvikle konseptet til praksis. For det første kan en ikke se så små gjenstander som supramolekyler med øyet, selv ikke ved hjelp av et lysmikroskop. For det andre kan en ikke på vanlig vis flytte på og manipulere så små gjenstander, og som attpåtil må følge kvantemekanikken og den statistiske mekanikkens lovmessigheter.
Begreper som friksjon og kraft får da en litt annen mening enn i dagliglivet. I tillegg er det svært vanskelig å lage molekyler som ved svake krefter selektivt binder seg til ett eller noen få molekyler av annet slag, i stedet for å binde seg til molekyler av samme slag som seg selv.
Drevet av nysgjerrighet
Siden Feynmans tid har iherdig innsats innen nysgjerrighetsdrevet forskning gradvis utviklet faglig innsikt, metoder, teknikker, og ikke minst instrumenter: NMR-spektroskopet, massespektrometeret, røntgenkrystallografen, elektronmikroskopet, tunneleringsmikroskopet, atomærkraftmikroskopet og mange andre. Årets nobelprisvinnere i kjemi er først og fremst svært dyktige og vidsynte kjemikere med utviklet sans for vakre molekylstrukturer, som takket være tilgangen til denne rikholdige verktøykassa har blitt i stand til å virkeliggjøre Feynmans visjon.
Følg debatten på
Da jeg var ung forsker tidlig på 1980-tallet, kom professor Johannes Dale begeistret inn i laboratoriet mitt for å fortelle at han på snedig vis hadde klart å framstille en ny kjemisk forbindelse fra ammoniakk og formaldehyd. Dette er de samme råstoffene som benyttes til fremstilling av limstoffene de lager hos Dynea på Lillestrøm. Dales begeistring skyldtes ikke bare at han og en medarbeider hadde lyktes i å nå sitt mål, men like mye gleden over den vakre, symmetriske molekyl- og krystallstrukturen forbindelsen viste seg å ha.
Han var dessuten opptatt av hvordan den nye forbindelsen kunne danne svake bindinger med andre forbindelser, og på den måten kanskje danne supramolekylære komplekser. Dale fortalte meg at hans gode venn Jean-Marie Lehn var mesteren på dette fagområdet, og at Lehn nok snart kom til å få Nobelprisen. Dale fikk rett, i 1987 ble Jean-Marie Lehn tildelt Nobelprisen i kjemi sammen med Charles Pedersen og Donald Cram «för deras utveckling och användande av molekyler med strukturspecifika interaktioner av hög selektivitet».
Tre vinnere
Jean-Marie Lehn er bindeleddet til den ene av årets nobelprisvinnere, franskmannen Jean-Pierre Sauvage, som i sin tid hadde Lehn som sin doktorgradsveileder.
Sauvage har klart kunststykket å tre sammen to ringformede molekyler på samme måte som leddene i en kjetting.
Han har også klart å lage molekylære knuter, altså å få kjedeformete molekyler til å slå knute på seg.
Den andre prisvinneren er skotten James Fraser Stoddart, som i de siste 19 årene har arbeidet i USA, blant annet som direktør ved et Fred Kavli-senter. Fraser Stoddart har konstruert supramolekylære systemer der de molekylære komponentene kan bevege seg i forhold til hverandre.
Følg debatten på
Den tredje prisvinneren er nederlenderen Ben Ferringa. Ferringa har utviklet molekylære rotorer som kan beveges i én bestemt retning, på samme måte som propellen i en nederlandsk vindmølle eller i retinal-molekylet som er nøkkelmolekylet i øyets synsprosess. Det må nevnes at Ferringa var årets Hassel-foreleser i 2012. Hasselforelesningen er oppkalt etter den norske nobelprisvinner i kjemi, Odd Hassel, som fikk prisen for sitt arbeid innen konformasjonsanalyse, det vil si hvordan molekyler kan endre sin struktur fra en form til en annen uten å bryte bindinger – enda et bindeledd til årets pris.
Mindre og mindre
Utgangspunktet for alle tre prisvinnere er syntetisk organisk kjemi. Dagens organiske kjemi omfatter langt mer enn studier av naturstoffer og tilvirkning av nye legemidler. Molekylære maskiner vil av mange kanskje betraktes som et avansert leketøy for store jenter og gutter.
For den som har opplevd miniatyriseringen innen elektronikken, fra radiorør til transistorer og videre til integrerte kretser, er det ikke vanskelig å forestille seg en tilsvarende utvikling innen mekanikken. Industrien er allerede på tå hev, og det snakkes alvorlig om nano-roboter for presis kirurgi og medisinering.
