מכונה מולקולרית

מכונה מולקולרית או מכונה ננומטרית,^[1] היא מכונה שמורכבת ממספר רכיבים מולקולריים המייצרים תנועות מכניות (פלט) כתגובה לגירויים מסוימים (קלט).^[2] לעיתים קרובות מכונות מולקולריות מחקות פעולות של מכונות בקנה מידה מאקרוסקופי. המונח "מכונה מולקולרית" משתייך גם לתחום הננוטכנולוגיה בו מספר גדול של מכונות מולקולריות מלאכותיות מורכבות למטרת בניית מכונה גדולה יותר, בעלת פונקציה ספציפית של הכוונת תגובות כימיות למיקום מסוים ברמת דיוק גבוהה.

את המכונות המולקולריות ניתן לחלק לשתי קטגוריות רחבות: מלאכותיות וביולוגיות (טבעיות).

רקע

קיימות שתי גישות המבוססות על ניסויים מחשבתיים אשר מהוות את בסיסן של המכונות המולקולריות. הגישה הראשונה מבוססת על "השד של מקסוול" והשנייה של ריצ'רד פיינמן המבוססת על "גלגל השיניים של בראון".

בגישה של פיינמן, דמיינו מערכת קטנה מאוד אשר מכילה שני גלגלי שיניים (T1 ,T2) כמתוארת באיור. שני גלגלי השיניים נמצאים בטמפרטורות שונות זו מזו בסביבה גזית. כמו כן הם מחוברים ביניהם על ידי ציר מקשר. באחד הגלגלים (T2) ישנה שן (Pawl) המאפשרת לגלגל השיניים לנוע אך ורק בכיוון השעון, וכשתנועה זו מתקיימת הוא מסוגל להרים משקל (m) במעלה הציר. כעת דמיינו מצב שבו גלגל השיניים השני נמצא בטמפרטורה גבוהה יותר מזו שנמצא בה T2; ניתן לצפות שבזכות האנרגיה הקינטית של מולקולות הגז (עיגולים אדומים) שנמצאות בטמפרטורה הגבוהה יזוז גלגל השיניים ב-T1 מהר יותר מהגלגל שב-T2. ולכן בגלל אנרגיה קינטית נמוכה שקיימת ב-T2 תהיה התנגדות נמוכה של מולקולות הגז לסיבוב הציר. עם הזמן תיווצר הרמה של המשקל (m) על ידי גלגל השיניים ב-T1. כלומר נוצר מנוע שמקור האנרגיה שלו הוא אנרגיית חום.

כמו שמתואר, מערכת זו נראית כמו מכונה בתנועה מתמדת; המרכיב העיקרי שגורם לזה הוא שמירה על חום המערכת. גלגל שיניים זה אינו מהווה סתירה לחוק השני של התרמודינמיקה, משום ששליטה מתמדת בטמפרטורה של המערכות מחייבת תוספת של אנרגיה חיצונית למערכת. תנועה זו של מולקולות הגז נקראת תנועה בראונית (תנועה אקראית של חלקיקים) ותנועה זו מקנה את כוחה של המערכת. כמו כן, שינוי הטמפרטורה מאפשר את יציאתה משיווי המשקל. בגישה זו, תנועות ברואוניות אינן באות כניגוד למערכת, אלא ההפך, באות לעזרתה. גרדיאנט הטמפרטורה אינו יכול להישמר לאורך מרחקים מולקולריים, בשל הויברציות (רטט) של אטומי המולקולות המאפשרים לפזר את האנרגיה למרחקים מולקולריים.

שלא כמו תנועות מקרוסקופיות, מערכות מולקולריות נמצאות בתנועה מתמדת, בכפוף לחוק המכניקה הבראונית, וכמו כן, ניצול פעולה מולקולרית הוא תהליך יותר מורכב. מכונות בקנה מידה מאקרוסקופי, פועלות בסביבה של גז (אוויר) לעיתים קרובות מולקולות האוויר מוזנחות, כי הם חסרות משמעות בגודלן, לעומת מערכות מולקולריות שנמצאות בסביבה בראונית פעולת כל מולקולה בסביבה משמעותית לפעולתם. תנועה של מכונה מולקולרית בסביבה של אוויר דומה "להליכה בהוריקן או שחייה בדבש".

התופעה של תנועות בראוניות הוסברה ב-1905 על ידי אלברט איינשטיין. איינשטיין גילה כי תנועה בראונית היא תוצאה של קנה מידה הנמדד ולא קשור לאופי הסביבה. כל עוד אנרגיה תרמית חלה על מולקולה, תתקיים תנועה בראונית עם האנרגיה הקינטית המתאימה לטמפרטורה זו. לכן, כמו גישתו זו של ריצ'רד פיינמן, בעת תכנון מכונה מולקולרית, נראה הגיוני לנצל את התנועה הבראונית, במקום לנסות להילחם נגדה.

כמו מכונות מקרוסקופיות, במכונות המולקולריות ישנם חלקים ניידים. למרות זאת, בזמן שמכונות מקרוסקופיות יכולות לספק השראה עבור יצירת מכונות מולקולריות, תהיה זו טעות להשוות בין אסטרטגיות השימוש, בשל השוני בקנה המידה אשר לא מאפשר השוואה. ניצול של תנועה בראונית ברמה המולקולרית עובד על-פי החוק השני של התרמודינמיקה, אך לעיתים אינו מסתדר עם האינטואיציה שלנו, ולכן צריך יותר השראה.

בכל זאת זה מאתגר לנצל את התנועה הבראונית לטובתנו. בטבע אפשר למצוא תוכניות עבור תנועות מולקולריות לביצוע עבודה יעילה. הוא יצר מבנים שימושיים רבים עבור מערכות מולקולריות, כגון קרום התא בו מחסומים ליפופיליים עושים שימוש במספר מנגנונים לבצע תנועה מתא אחד למשנהו.

דוגמאות למכונות מולקולריות

מנקודת המבט המלאכותית, קיימים שני סוגים חשובים של מכונות מולקולריות: מתגים מולקולריים (Molecular switch) ומנועים מולקולריים. ההבדל המרכזי ביניהם הוא שמתג משפיע על המערכת באופן בינארי, בדיד ומשנה בין מצב למצב, לעומת מנוע המשפיע על המערכת באופן רציף. בהפעלת מתג גורמים לתנועה במערכת, בסגירתו ביטלנו כל השפעה שלו על המערכת. בנוסף, מתגים אינם יכולים להשתמש באנרגיה כימית בצורה קבועה ומתמשכת לעומת מנוע שכן יכול.

סינתטית

מגוון רחב של מכונות מולקולריות נבנו על ידי כימאים. מכונות אלו יכולות להיבנות ממולקולה אחת; כמו כן, גם מחיבור של מספר מולקולות, לדוגמה רוטאקסנים (rotaxanes) וקטאננים (catenanes). מנועים מולקולריים הם מולקולות המסוגלות לנוע בכיוון אחד על ידי שימוש באנרגיה חיצונית כגון אנרגיית אור או אנרגיית מכנית שמועברת במפגש בין שתי מולקולות.

פרופלור או מדחף מולקולרי (Molecular propeller) הם מולקולות שיכולות לגרום לערבול נוזל, וזאת כתוצאה מהמבנה הייחודי שנלמד מפרופלורים מקרוסקופיים. קיימים מספר להבים בקנה מידה מולקולרי המשמשים כפרופלור ומחוברים למוט בקנה מידה ננומטרי.
מתג מולקולרי (Molecular switch) הוא מולקולה אשר יכולה להימצא בשניים או יותר מצבים. המצבים יכולים להשתנות כתוצאה משינוי חומציות, אור, טמפרטורה, סביבה או נוכחות ליגנד.
מעבורת מולקולרית (Molecular shuttle) היא מולקולה המסוגלת להעביר מולקולות או יונים ממקום אחד ומקום אחר. מעבורת מולקולרית מוכרת היא הרוטקסן שמסוגל להעביר יותר ממולקולה אחת בו זמנית.
פינצטה מולקולרית (Molecular tweezers) היא מולקולה מארחת המסוגלת להחזיק פרטים בין שתי הזרועות שלה. הקישור בין הזרועות שלה הוא קישור לא קוולנטי הכולל קשרי מימן, קשרים מתכתיים, קשרי ואן דר ואלס, כוחות הידרופוביים, אינטראקציות פאי וקשרים אלקטרוסטטיים. דוגמה לפינצטה מולקולרית הן מולקולות הבנויות מדנ"א ונחשבות כמכונות דנ"א.
חיישן מולקולרי (Molecular sensor) הוא מולקולה שמייצרת אינטראקציה על מנת לזהות שינוי.^[3] חיישנים מולקולריים משלבים זיהוי מולקולרי עם יכולת נוספת של דיווח.
שער לוגי מולקולרי (Molecular logic gate) הוא מולקולה המבצעת פעולה לוגית על קלט יחיד או יותר, ומייצרת פלט לוגי. בשונה מחיישן מולקולרי, שער לוגי מולקולרי יוציא פלט רק כאשר יהיו מספר קלטים.

ביולוגית

המכונות המולקולריות המסובכות ביותר נמצאות בתוך תאים. הן כוללות חלבונים מניעים (המסוגלים לנוע על פני משטחים), כגון מיוזין, האחראי על כיווץ השריר, קינזין, המוביל מטען אל תוך התא הרחק מהגרעין לאורך המיקרוטובולין, ודיאנין, שמבצע את תנועות השוטונים בשלבי התפתחות תאים. חלבונים אלו נמצאים בקנה מידה ננומטרי ומבצעים פעולות מסובכות הרבה יותר מכל מכונה מולקולרית שיוצרה.

בניה של מכונות מורכבות יותר דורשת מחקר תאורטי רב. מולקולות מסוימות, כגון מדחפים, עוצבו, אבל עוד דרושים מחקרים רבים עבור מימוש ניסויים מחקריים על מנת ליצור שיטות לבניית המולקולות. מכונות מסובכות ומולקולריות אלו הן הבסיס לשדה הננוטכנטולוגי.

ראו גם

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מכונה מולקולרית בוויקישיתוף

הערות שוליים

^ Satir, Peter; Søren T. Hristensen (2008-03-26). "Structure and function of mammalian cilia". Histochemistry and Cell Biology. Springer Berlin / Heidelberg. 129 (6): 688. doi:10.1007/s00418-008-0416-9. PMC 2386530. PMID 18365235. 1432-119X. אורכב מ-המקור ב-2020-04-28. נבדק ב-2009-09-11.
^ Ballardini R, Balzani V, Credi A, Gandolfi MT, Venturi M. (2001). "Artificial Molecular-Level Machines: Which Energy To Make Them Work?". Acc. Chem. Res. 34 (6): 445–455. doi:10.1021/ar000170g.{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link)
^ Cavalcanti A, Shirinzadeh B, Freitas Jr RA, Hogg T. (2008). "Nanorobot architecture for medical target identification". Nanotechnology. 19 (1): 015103(15pp). Bibcode:2008Nanot..19a5103C. doi:10.1088/0957-4484/19/01/015103.{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link)

[Satir2008-1] Satir, Peter; Søren T. Hristensen (2008-03-26). "Structure and function of mammalian cilia". Histochemistry and Cell Biology. Springer Berlin / Heidelberg. 129 (6): 688. doi:10.1007/s00418-008-0416-9. PMC 2386530. PMID 18365235. 1432-119X. אורכב מ-המקור ב-2020-04-28. נבדק ב-2009-09-11.

[2] Ballardini R, Balzani V, Credi A, Gandolfi MT, Venturi M. (2001). "Artificial Molecular-Level Machines: Which Energy To Make Them Work?". Acc. Chem. Res. 34 (6): 445–455. doi:10.1021/ar000170g.{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link)

[3] Cavalcanti A, Shirinzadeh B, Freitas Jr RA, Hogg T. (2008). "Nanorobot architecture for medical target identification". Nanotechnology. 19 (1): 015103(15pp). Bibcode:2008Nanot..19a5103C. doi:10.1088/0957-4484/19/01/015103.{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link)

[1]

[2]

[3]