Zamislite dva užeta, svako s jednom omčom i dva čvora – jednim bliže, drugim dalje od omče – položena tako da se prvo uže provlači kroz omču drugoga i obratno. Prvi čvor, onaj bliže omoči, može se razvezati, a kad se to dogodi  uže će skliznuti prema drugom čvoru. Kada se prvi čvor opet zaveže, omča će kliznuti prema njemu. A sada u mislima sve to umanjite na veličinu milijuntinke milimetra, na veličinu atoma i molekula – i evo nove nanotehnološke spravice, „muscle-like artificial molecular actuator for nanoparticles“ (umjetnog, mišiću nalik molekularnom pokretaču za nanočestice). Njegovi su tvorci kineski znanstvenici predvođeni profesorom Zhangom, a opis mu se može pročitati u časopisu Chem od 8. studenog 2018. godine.

Počnimo od omče. Ona se sastoji od rotaksana, cikličnog etera kojeg bismo mogli najbolje opisati kao prsten od 16 ugljikovih i osam kisikovih atoma, ili – točnije rečeno – prsten od osam segmenta C-C-O. Nekoliko atoma dalje od  njega nalazi se prvi, bliži čvor što ga čini segment  BAA (benzilalkilamonij). Udaljeni čvor je pak peteročlani prsten od dva ugljikova i tri dušikova atoma -  N-metiltriazolij (MTA). Iz tog imena, točnije iz nastavka -ij, vidi se da je riječ o pozitivno nabijenoj skupini atoma (poput amonija, oksonija…) koja usto  (što je važno za rad molekularnog pokretača) ne može mijenjati naboj disocijacijom, otpuštanjem vodikova iona, H⁺. Još bih napomeno da se stalan naboj segmenta MTA može pripisati metilnoj skupini vezanoj na dušikov atoma (N-metil…), pa bi to, vjerujem, bilo sve što kemčar treba reći kako bi čitatelj razumio građu i djelovanje ovog molekularnog motora ili, bolje rečeno, molekularnog pokretača (aktuatora).

Svaki motor, sve što se giba i kreće mora imati izvor energije. Što pokreće pokretač kineskih znanstvenika?

Pokreće ga, najkraće i najjednostavnije rečeno, električni naboj njegovih čvorova. Kada je za prvi čvor (BAA) vezan vodikov ion (H⁺) on je pozitivno nabijen pa se za njega veže rotaksanski prsten. Kada se pak H⁺ od njega odvoji, segment BAA gubi naboj, pa se rotaksanski prsten pomiče prema drugom, stalnom naboju na čvoru MTA. Vezivanje i otpuštanje vodikovih iona lako se postiže jer je riječ o jednostavnim reakcijama s kiselinama i lužinama: dodavanjem kiseline (+H⁺) skupina –NH–  iz segmenta BAA prelazi u  –NH₂⁺– , dok se dodavanjem lužine (+OH^-) događa obratno.  

Još treba dodati svakoj molekuli na drugom kraju lanca tri sulfhidrilne (-SH) skupine, kako bi se mogle vezati za čestice zlata – i evo uređaja za pomicanje nanočestica.

No vratimo se u naše, makar i milimetarske dimenzije. Za prirediti rotaksanski molekularni pokretač treba prvo prirediti vrlo razrijeđenu (5·10^-5 mol/L) otopinu molekularnog aktuatora  u organskom otapalu (acetonitrilu), a onda uz jako mućkanje pola kapi (20 μL) te otopine ubaciti u mililitar vode u kojoj su raspršene čestice zlata. Da je došlo do vezivanja može se vidjeti već po promjeni boje otopine, iz crvene u ljubičastu, dok će pogled kroz mikroskop otkriti da se u dimere vezalo 40 posto čestica. Dalje  je lako: zakiseljavanjem otopine čestice se udaljavaju, dodavanjem baze približavaju, što je također popraćeno promjenom boje. Kada se nalaze u lužnatoj otopini (+OH^-), dakle bliže jedna drugoj, nanočestice najbolje raspršuju svjetlost valne duljine λ = 563 nm, dok u kiseloj otopini (+H⁺) to najbolje čine sa svjetlošću valne duljine λ = 557 nm.

Sada će čitatelj ove rubrike (neću reći koji) reći: „Opet nešto što ne služi baš za ništa!“ Igra dokonih znanstvenika, a ne razvoj novih tehnologija. Ne bih se s time složio. Riječ je o razvoju novog „strojnog elementa“ koji bi se mogao za štošta upotrijebiti. Pomicati bi se mogle i molekule, a ne samo nanočestice, a vodikovi bi se ioni mogli oslobađati fotokemijskom reakcijom, dakle osvjetljavanjem laserskom zrakom. Stoga stoji zaključak, izrečen u posljednjoj rečenici članka kineskih znanstvenika: „Ovo je istraživanje važan korak u razvoju mehaničkih molekularnih sustava prema jednomolekularnim elektroničkim/optičkim uređajima koji bi se mogli primijeniti za molekularnu pohranu podataka visoke gustoće pa čak i za konstrukciju programabilnih robota molekularnih dimenzija.“ Živi bili, pa vidjeli.

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik, sada u mirovini. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti pišući za časopise Prirodu (kojoj je sedam godina bio i glavni urednik), Čovjek i svemir, ABC tehnike, Smib, Modru lastu, a u posljednje vrijeme i za mrežne stranice Zg-magazin te, naravno, BUG online. Autor je i 13 znanstveno-popularnih knjiga od kojih je posljednju, „The Cookbook of Life – New Theories on the Origin of Life“ (izišlu 2018. godine), napisao na engleskom jeziku. Urednik je rubrike „Kemija u nastavi“ u časopisu Kemija u industriji, za koji piše i redovite komentare. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.