Molekyylikoneet mitä ja miten Professori Helge Lemmetyinen

Transkriptio

1 Nobel-iltapäivä Tampereella pääkirjasto Metsossa Kemian Nobel 2016 Molekyylikoneet mitä ja miten Professori Helge Lemmetyinen Tampereen pääkirjasto Metso 10. joulukuuta 2016

2 tutkimuksistaan valmistaa molekulaarisia koneita, jotka ovat tuhat kertaa hiusta ohuempia Jean-Pierre Sauvage 1944 Pariisi PhD 1971 Univ. Strasbourg Professsor Emeritus Strasbourg Sir J. Fraser Stoddart 1942 Edinburg PhD 1966 Univ. Edinburg Professor Norhwestern University USA Bernard L. Feringa 1951 Barger- Compascuum, NL PhD 1978 Univ. Groningen Professor Univ. Groningen

3 Nanoteknologian/nanotieteen perustajia Richard P. Feynman, APS 1959: there is plenty of room at the bottom for further miniaturisation 1984: What would be the utility of such machines? Who knows? I cannot see exactly what would happen, but I can hardly doubt that when we have some control of the rearrangement of things on a molecular scale we will get an enormously greater range of possible properties that substances can have, and of different things we can do.

4 Kuinka valmistaa nanokoneita? Richard P. Feynman, APS 1959: there is plenty of room at the bottom for further miniaturisation 1984: What would be the utility of such machines? Who knows? Pyrkimys rakentaa yhä pienempiä mekaanisia välineitä (käsiä), jotka lopulta kykenisivät työstämään minimaalisia koneita näin on yritetty tuloksetta Vaihtoehtoin strategia on bottom-up approach -aloitetaan molekyyleistä -kemistit ovat jo pohjalla -me manipuloimme molekyylejä, materian pienimpiä yksiköitä, joilla on tietty muoto ja ominaisuudet Kemia, joka keskittyy -monimutkaisiin rakenteisiin -useiden yksiköiden yhdistymiseen -luo uusia kemiallisia ominaisuuksia -synnyttäen suurempia komplekseja -Saa aikaan uusia ilmiöitä = SUPRAMOLEKULAARISTA KEMIAA Kemian Nobel 1987: Lehn, Pedersen ja Cram Supramolekulaarisella kemialla on kaksi sielua -monimutkaisten orgaanisten rakenteiden synteesi -itsejärjestäytymien ja organisointi Chemical engineering / tekniikka - on suunnitella sellaisia molekulaarisia laitteita, joilla on erityisiä toimintoja

5 Nanoteknologian/nanotieteen perustajia Supramolecular chemistry/supramolekulaarinen kemia Nobel Prize in Chemistry 1987 Donald J. Cram, Jean-Marie Lehn, Charles J. Pedersen Kirjat: Chemia Supramolekularna 1985 Macrocyclic Chemistry Aspects of Organic and Inorganic Supramolecular Chemistry 1993 "Supramolecular Chemistry Concepts and Perspectives", 1995 Ensimmäinen kv. konferenssini, Canterbury 1979: Tuo on jotakin mitä haluan tehdä

6 Nanoteknologian/nanotieteen perustajia Yhdisti supramolekulaarisen kemian ja valokemian Vincenzo Balzani, s Forlimpopoli, Professor, Univ. Bologna XII th IUPAC Symposium on Photochemistry Bologna 1988: Tuo on jotakin mitä teen

7 TTY-kemia Supramolekulaarisen kemian tutkimusryhmä Strategia 1997

8 Kansainvälinen yhtetyö Grado, Italia 2005

9

10 Jatkosuunnitelmat:

11 EU: Italia::

12 Mekaaniset kemialliset sidokset Feynman 1984: What would be the utility of such machines? Who knows? Hän ei silloin vielä tiennyt, että ensi askeleet kohti molekyylikoneita kohti oli jo otettu Kemistit olivat yrittäneet valmistaa molekyylirenkaita yhdistämällä molekyyliketjuja: -perinteisesti kovalenttiset kemialliset sidokset, joissa atomit jakavat sidoselektronit korvattaisiin mekaanisilla sidoksilla, joissa molekyylit liittyvät toisiinsa ilman atomien välitöntä vaikutusta Molekyylirenkaista raportoitiin luvuilla -tuotot pienet, monimutkaiset menetelmät ranskalainen ryhmä otti molekyylit kontrolliinsa

13 Jean-Pierre Sauvage hallitsi molekyylejä kupari-ionin avulla - valokemistin lähestymiskulma - työkalunaan molekyylikompleksit, jotka imevät valon ja käytävät sitä kemiallisen reaktion energiana - J-PS ymmärsi, että tällaiset kompleksit ja reaktiot olisivat keino valmistaa molekyyliketjuja - ketjun muodostavat molekyylit oli kiedottava kupari-ionin ympärille C.O. Dietrich-Buchecr, J.-P. Sauvage, J.-P. Kintzinger, Tetrahedron Lett., 1983, 24, 5095 Cu + 1. Kupari-ioni kompleksoituu renkaaseen 2. ja kytkee siihen toisen molekyylin 3. Kolmas molekyyli liittyy päistään edelliseen 4. ja syntyy mekaaninen sidos ja kaksirenkainen ketju 5. Kupari-ioni vapautetaan esim. happamuutta vaihtamalla

14 J-PS saavutti renkaan muodostumiselle 42 % tehokkuuden Molekyyliketju ei enää ollut pelkkä kuriositeetti J-PS nimitti molekyyliketjun katenaatiksi (latinan catena = ketju) J-PS vahvisti käsitteen topologinen kemia merkitystä kemian tutkimuksessa: - katenaattien pysyvyys on erittäin vahva - katenaattien hajoamisnopeus riippuu sekä topografiasta, eli ligandien (molekyylien) geometriasta metalli-ionin ympärillä, että topologiasta, eli renkaiden mekaanisesta lukkiutimisesta J-PS ja toinen 2016 nobelisteistä J. Fraser Stoddart, ovat luoneet molekulaarisen vastineen tunnetuille kulttuurisymboleille, kuten apilasolmu (trefoil knot), Solomonin solmu ja Borromeon renkaat.

15 C.O. Dietrich-Buchecker, J.-P. Sauvage, J.-P. Kintzinger, Tetrahedron Lett., 1983, 24, 5095 C.O. Dietrich-Buchecker, J.-P. Sauvage, Angew. Chem., Int. Ed. Engl.,1989, 28, 189

16 Mutta missä molekyylimoottori? JPS ymmärsi katenaattien merkityksen ensi askeleena molekyylimoottorien suuntaan: - moottorin tulee koostua useista osista - osien tulee liikkua toistensa suhteen - kaksi toisiinsa kytkettyä rengasta täyttää nämä vaatimukset 1994 J-PS valmisti katenaatin, jossa toinen rengas pyörähti kontrolloidusti toisen suhteen, kun siihen lisättiin energiaa: Cu + Cu 2+ Livoreil A, Dietrich-Buchecker CO, Sauvage J-P. J. Am. Chem. Soc., 1994, 116, 9399 Cu + - Cu 2+

17 Samaan aikaan J. Fraser Stoddart kehittii rotaksaanin Bissell RA, Cordova E, Kaifer AE, Stoddart JF. Nature,1994, 369, Avoin rengas varustettuna elektronivajailla ryhmillä, sekä 2. pitkä sauva, akseli, kahdella elektronirikkaalla ryhmällä 3. liuoksessa elektronivajaa ja rikas ryhmä liittyivät toisiinsa ja 4. rengas suljettiin kemiallisesti akselin ympäri 5. oli syntynyt rotaksaani: rengas + akseli

18 Strasbourgissa Sauvage valmisti samantapaisen rotaksaanin 1997 Collin, J.-P.; Gavina, P.; Sauvage, J.-P., New J. Chem., 1997, 21, 525 Perustuu terpyridiinin ja fenatroliinin kompleksinmuodostumiskykyihin. Tästä on lyhyt matka molekyylihissiin (Stoddart, Science 2004)

19 mutta sitä ennen vielä Sauvagen ja muiden molekyylimuskeli M.C. Jiménez, C.O. Dietrich-Buchecker, J.-P. Sauvage, J. Phys. Org. Chem, 2003, 15, 476

20

21 Molekyylihissi J.D. Badjic, V. Balzani, A. Credi, S. Silvi, J.F. Stoddart, Science, 2004, 303, 1845

22

23

24 Molekyylihissi

25 Molekyylimoottori Energia tulee valosta: valokemiallinen isomerisaatio J. Vicario, N. Katsonis, B.S. Ramon, C.W.M. Bastiaansen, D.J. Broer, B.L. Feringa, Nature, 2006, 440

26 Moottorien kiertosuuntaa kontrolloidaan kemiallisesti Energia tulee valosta ja lämmöstä THE NOBEL PRIZE IN CHEMISTRY 2016, THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES, October 2016

27 Feringan ym raportoima nelitahti moottori Energia tulee valosta ja lämmöstä N. Ruangsupapichat, M.M. Pollard, S.R. Harutyunyan. B.L. Feringa, Nature Chemistry, 2011, 3, 53

28 Nelivetoinen turbomoottori: molekyylirakenne ja toiminta T. Kudernac, N. Ruangsupapichat, M. Parschau, B. Macia, N. Katsonis, S.R. Harutyunyan, K.-H. Ernst, B.L. Feringa, Nature, 2011, 479, 208

29 STM:n käyttö atomikoon rakenteiden valmistamisessa

30 Nanoauto, jonka energia tuodaan elektroneina STM:n avulla M. PEPLOW, Nature, 2015, 525, 18

31 Yhteenveto 2016 Nobelistien merkitys tieteelle Feynman in:... plenty of room at the bottom - oivallus, muttei ratkaisu - kaukonäköinen idea: valmistaa äärettömän pieniä koneita - molekulaariset koneet yhdistetty nanoteknologiaan noista ajoista lukien tutkimuksistaan valmistaa molekulaarisia koneita...

32 Sauvage, Fraser ja Feringa: Ottivat lähtökohdakseen jokapäiväiset makromaailman toiminnat ja ilmiöt. Voittaen joukon luonnon asettamia rajoituksia sekä hyväksi käyttäen näitä ilmiöitä toteuttivat ideansa nanomaailmassa Jean-Pierre Sauvage: Liikkuvat osat Toisiinsa ilman kemiallisia sidoksia kytketyt molekyylit, katenaatit, olivat tunnettuja jo 60-luvulla Sauvage keksi 1983 kvantitatiivisen keinon kytkeä molekyylit ensin toisiinsa metalli-kytkennällä ja poistaa sitten metalli, jolloin ketjun makromolekyylit liikkuivat toisiinsa nähden vapaasti Laajennus ja supistus Kohta perään Sauvage kehitti mekaanisesti rotaksaanista kudotun säikeen, molekulaarisen lihaksen, joka laajeni tai supistui ulkoisen voiman vaikutuksesta ja taivutti makroskooppista sauvaa F. Frazer Stoddart: Sukkulat ja pysäkit Stoddart sovelsi ensimmäisenä rotaksaaneja molekulaarisina sukkuloina. Tarkalla suunnittelulla ja hyvällä syntetiikalla hän osoitti, että esim. sijoittamalla kaksi asemaa molekyylisäikeen eri paikkoihin, molekyylirengasta voidaan kuljettaa edestakaisin kontrolloidusti. Useat tutkijat soveltavat näitä nykyisin erilaina sovellutuksina, kuten molekyylielektroniikassa, työn tekoon tai uusien molekyylien valmistamiseksi

33 Bernard Feringa: Feringa lähestyi molekyylikoneita toiselta suunnalta 1999 hän käytti rakenteeltaan ahdasta valoaktiivista alkeenimolekyyliä moottorina Valon vaikutuksessa molekyylin 2-sidoksen suhteen tapahtui 180 o kierto Takaisinkierron esti terminen isomerisaatio. jota seurasi toinen 180 o kierto Tärkeintä tässä oli kierron välitti yksittäinen molekyyli, mikä demonstroitiin nestekiteessä aikaansaadulla tangon kierrolla ja myöhemmin nelivetoisalla molekyyliautolla. Loppu oli suunnittelua ja loistavaa syntetiikkaa Kritiikkiä/skeptismiä: Molekyylikoneet ovat vain spesiaalisovellutuksia Tämä ei ole olennaista: kolmikon tekemä tutkimus muuttanut perusteellisesti tapaa ajatella ja lähestyä molekyylien rakentamista He vaihtoivat tavoitteesta rakentaa ja syntetisoida yhä pienempiä molekyylejä, missä rajana on pieni koko, tavoitteeseen rakentaa dynaamisia, nanokoon systeemejä missä tavoitteena on toiminto Tavoitteena on ajatuksen ja toiminnan loikka eteenpäin: keinotekoiset, samoin kuin biologiset koneet, pystyvät tavoiteltuihin liikkeellä suoritettuihin tekoihin Nämä minimaaliset systeemit tulee suunnata nyt käytännön sovellutuksiin

34 Onnnittelumme näille kemisteille ja tiedemiehille! Kiitos teille kiinnostuksesta