Stator, rotor – nanometarski origami motor

Novo čudo nanotehnologije: motor manji od desettisućinke milimetra. Pokreće ga električna struja – ali ne onako kako pokreće elektromotor.

Nenad Raos subota, 15. listopada 2022. u 06:00

Kemija se bavi, zna se, molekulama, molekulskim strukturama. A čime se bavi molekularna biologija? Ne, ne bavi se molekulama. Time se bavi biokemija. Molekularna biologija se bavi molekulskim suprastrukturama, ako se može povući oštra granica između biokemije i molekularne biologije.

Riječ je o tome da molekula u stanici nikad ne djeluje sama. Ona sve radi u kooperaciji i koordinaciji s drugim molekulama čineći s njima funkcionalne jedinice – molekulske suprastrukture. Stanica se stoga u bitnome ne razlikuje od organizma, jer što je organizmu stanica to je stanici molekula, što je organizmu tkivo, to je stanici molekulska suprastruktura, što je organizmu organ, to je stanici – zna se – organela. Ovo sam drugo „zna se“ namjerno napisao kako bih čitatelju skrenuo pozornost na činjenicu da je organella deminutiv od organum, dakle „organčić“.

U stanici postoje i (mikro)mišići koji pokreću treplje (cilije). Upravo su te organele poslužile znanstvenicima iz Njemačke i Ujedinjenog Kraljevstva kao inspiracija za konstrukciju motora molekulskih dimenzija, čija je konstrukcija nedavno objavljena u časopisu Nature pod naslovom „A DNA origami rotary ratchet motor“, o čemu je čitatelj već obavješten na ovim mrežnim stranicama.

Po čemu je ovaj motor neobičan? Prva neobičnost je u tome što je sastavljen, poput japanske slagalice od papira (origami), samo od molekula DNA, duljine 7 do 9 tisuća parova baza. Od njih su izgrađena sva tri dijela motora (stator, rotor i stožer za rotor). Dimenzije? Dakako nanometarske: stator je širok 30, a visok 40 nm. Najveći je dakako rotor koji se sastoji od dva kraka nejednake duljine (50 i 500 nm). Ono što je u cijeloj priči najzanimljivije je da motor ima zupce (obstacle, ratchet) koji sprječavaju slobodnu rotaciju, pa rotor može zauzeti samo šest diskretnih položaja. Što pokreće motor?

E, to je najzanimljivije pitanje. Još je naime 1997. godine japanski znanstvenik Kinosita objavio u istom časopisu rad u kojem je opisao motor na bazi F1-ATP-aze, enzima koji pokreće cilije. Već samo ime enzima, F1-ATP-aza, upućuje na to da energiju za pokretanje motora daje, kao i za većinu staničnih procesa, hidroliza adenozin-trifosfata (ATP). Riječ je dakle o motoru na kemijsku energiju, poput motora na benzin (no ovdje nije riječ ni o unutrašnjem ni o bilo kakvom izgaranju, još manje o širenju plinova). Možemo reći da je Kinositov motor bio savršen – no za njegovo savršenstvo nije bio zaslužan čovjek nego priroda. Takav motor (pogon) sličan je uprezanju konja u kola.

U ovom slučaju riječ je o nečem drugom. Da je motor izrađen od molekula DNA, dakle od molekula koje postoje u stanicama kao nositelji gena, nevažan je tehnički detalj, jer motor bi mogao biti izgrađen od bilo kojih drugih valjkastih molekula. (Molekule DNA su izabrane zato da bi se motor mogao složiti posve kemijskim postupkom.) Možda bi bilo bolje da je izgrađen od ugljikovih nanocjevčica. To kažem zato jer su ugljikove nanocjevčice čvršće, a usto otpornije na vanjske utjecaje (pH, temperaturu) od molekula DNA. No još nisam odgovorio na pitanje što pokreće nanometarski origami motor.

Posudica za pokretanje motora - na predmetnom staklu mikroskopa
Posudica za pokretanje motora - na predmetnom staklu mikroskopa

Pokreće ga, baš kao i motor u perilici, izmjenična električna struja. No ovdje nije riječ o magnetskoj indukciji nego o strujanju iona kroz tekućinu (puferiranu vodenu otopinu NaCl koncentracije 1 mol/L = 58,5 g/L) u kojoj se nanomotor nalazi. Optimalan rad motora postiže se strujom napona 20 – 60 V i frekvencije 5 Hz. (Pri tom naponu brzina gibanja iona iznosi oko 1 mm/s = 106 nm/s.)  U tim uvjetima motor postiže 250 punih okretaja u minuti, uz maksimalni obrtni moment 10 pN nm (10-20 Nm), što je pet puta manje od momenta Kinositovog motora (50 pN nm) – i 1022 puta manje od obrtnog momenta jačeg automobilskog motora (100 Nm).

Kada se sve ovo pročita vidi se da nije riječ o motoru u užem smislu riječi (ono što samo sebe pokreće) nego prije o vjetrenjači, ali vjetrenjači koju ne pokreće strujanje zraka nego strujanje iona. Za što bi se kretanje i okretanje njezinih krakova moglo upotrijebiti – to tek treba vidjeti.

Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije i povijesti znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je  oko 3000 znanstveno-popularnih članaka te 13 znanstveno-popularnih knjiga. Ove mu godine izlazi još jedna, „Kemija – muza arhitekture“, koju je napisao u koautorstvu s arhitektom Zvonkom Pađanom.

📢 12 rata beskamatno

LAPTOPI

Velika ponuda laptopa za rad, igru ili učenje!

198,95€ 1.498,99 kn Kupi

📢 Besplatna dostava

MONITORI

Upotpuni svoj laptop većim ekranom!

101,99€ 768,44 kn Kupi


Vitki i snažni zvučnici

ACOUSTIC ENERGY AE120

Glatku i široku disperziju visokih frekvencija s čistim srednjim rasponom i munjevitim basom.

778,95 € 5.869,00 kn Kupi

Pravi doživljaj zvuka kao s pozornice

JBL Stage A180

6.5-inčni 2,5-sistemski samostojeći zvučnici, frekvencijski odziv: 40-40 000 Hz, osjetljivost: 90 dB, preporučena snaga pojačala: 20-220 W

549,00 € 4.136,44 kn 573,00 € Akcija