Nanotehnologija je danas pomodna riječ, no malo tko zna što se iza te riječi krije. Obično se kaže za nešto jako, jako važno da je „veličine nano“ (npr. čestice srebra), no to opet ne znači ništa drugo nego da riječ o česticama ili nečemu drugome nanometarskih dimenzija. Prefiks „nano“  može nam dati neku predodžbu o sitnoći, jer nanometar je milijarditinka metra (1 nm = 10^-9 m) ili milijuntinka milimetara. Uspiju li znanstvenici u kocku od jednog nanometra pohraniti jedan bit informacije, imat ćemo, kažu, čip od kubičnog milimetra kapaciteta milijun TB, jer nam jednostavan matematički proračun pokazuje da  u taj volumen možemo smjestiti 10¹⁸ kockica sa stanicama od jednog nanometra.

No nešto drugo leži iza te famozne „veličine nano“; leži činjenica da se veličine atoma i duljine veza među njima mjere angstremima, Ǻ (1 nm = 10 Ǻ): duljina veze C-C iznosi 1,54 Ǻ, a veze C=C 1,35 Ǻ. To znači da nanometarski uređaji imaju veličinu atoma, a kako ništa (osim elementarnih čestica) ne može biti manje od atoma, manji se uređaji i strojevi ne mogu ni zamisliti. Drugim riječima, nanotehnologija ne konstruira strojeve iz elemenata kao što su vijci, matice, osovine, poluge i zupčanici – ma kako sićušni bili  –  nego su njeni „elementi strojeva“ atomi i (kovalentne) veze među njima. Kako ih napraviti? Problem nije samo u stroju takvih dimenzija, nego i u njegovoj praktičnosti, da ne bi bio tek (nano)mehanička igračka. Stoga treba pozdraviti opis najnovijeg nanostroja u svibanjskom broju časopisa Nature Nanotechnology, u članku pod pomalo zagonetnim naslovom „Unidirectional rotary motion in a metal-organic framework“ (Jednosmjerno kružno gibanje u metalno-organskoj okosnici).

Međunarodna ekipa znanstvenika sa Sveučilišta u Groningenu pošla je od pretpostavke da nije dovoljno napraviti nanometarski (molekularni) propeler, rotor, nego treba – da bi nečemu služio – prirediti za njega i prikladni stator. I evo ga! Njihov se stator zove „kristalina metalno-organska okosnica“ (crystalline metal-organic framework, MOF), koja, kada se na nju pričvrste propeleri postaje motor,  moto-MOF.

Bridovi  okosnice nanometarskog stroja (dimeznija 16 x 10 x 8 Ǻ), koji ujedno definiraju kristalnu ćeliju, izgrađeni su od molekula TCPB. Taj organski spoj može vezati cinkove ione (Zn²⁺) koji opet povezuju njegove molekule. Tako se stvara okosnica, stator nanometarske turbine. Na sredini brida (molekule TCPB), pričvršćen je rotor, naftilna jedinica, sastavljena od dva šesteročlana i jednog peteročlanog prstena. Ona je za stator, molekulu TCPB,  vezana dvostrukom vezom.  I upravo u toj dvostrukoj vezi, osovini molekularnog propelera, leži tajna rada ovog jedinstvenog nanomotora.

Odgovor na pitanje kako i zašto moto-MOF radi sličan je odgovoru na pitanje zašto jestivo ulje, a posebice maslinovo ne smijemo zagrijavati. Riječ je o tome da atomi u molekuli mogu rotirati oko dvostruke veze (za oko 180^o), no do toga, rotacije, dolazi samo ako se molekula izloži svjetlosti ili toplini. U slučaju jestivih ulja takvo premještanje atoma unutar molekule dovodi do propasti cis-masnih kiselina (koje prelaze u svoje „nezdrave“ trans-izomere), no u našem slučaju dolazi do rotacije naftilne skupine – čime se ona pretvara u propeler!

Da budem do kraja jasan, do vrtnje naftilnog propelera dolazi zbog dva uzroka. Kada se molekula osvijetli ljubičastom svjetlošću (valne duljine 395 nm), molekula prelazi u stanje više energije te  poprima novu konfiguraciju. Novo je stanje međutim nestabilno (metastabilno), pa teži prema stanju niže energije, stabilnom stanju. U to je stanje prevodi toplina.  I tako zračenjem (hν) i zagrijavanjem (Δ) molekula prelazi iz jednog stanja u drugo – molekularni se propeler okreće.

Ono što je u ovom motoru najzanimljivije je da se može napraviti jednostavnom kemijskom sintezom, pri čemu nastaju kristali s bilijunima namometarskih rotora. Cikličkom zagrijavanjem i osvjetljivanjem kristala može se postići strujanje plina ili tekućine kroz kristal i tako ga pretvoriti u pumpu. Na pitanje za što bi ta pumpa služila za sada je teško, zapravo nemoguće odgovoriti. Njome bi se mogli napajati (nano)elektronički uređaja ili za dobavljati hranjive i ljekovite tvari organima, tkivima, pa i pojedinim stanicama. No najizglednija joj je primjena u kemijskoj tehnologiji. Na kristalnu bi se okosnicu mogle vezati molekule više vrsta enzima, a onda bi sustav molekularnih propelera izazvao strujanje reaktanata i produkata od molekule do molekule. Tako bi se povezale enzimske reakcije, a  kristal postao nalik živoj stanici.  Živi kristal? To ipak ne. Ili: kako se uzme.

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.