Nobel Kimya Ödülü bu yıl moleküler makinaların dizayn ve sentezi ile ilgili yapılan çalışmalara verildi. Ödül Jean-Pierre Sauvage (Fransa), Sir J. Fraser Stoddart (ABD) ve Bernard L. Feringa (Hollanda) adlı üç bilim insanının temsil ettiği çalışma grupları arasında paylaşıldı.
Nobel Kimya ödülüne layık görülen çalışmalarda bilim insanlarının temel hedefi ilginç yeni moleküllerin sentezinden ziyade yeni tip bağlar ile moleküllerin dizaynı sağlamak oldu. Normal şartlarda birbirleri ile kovalent bağlanma yapamayan moleküllerin biraraya gelebilmesini sağlayabilen, moleküler bir eksen üzerinde hareket edebilen başka bir yapıyı geliştirebilen ya da saniyede 12 milyon kez belli bir yöne doğru hareket etmesi sağlanabilen moleküller önemli gelişmeler.
Molekülerin dizaynı ile nano boyutlara kadar küçültülebilen makinalar, sürdürülebilir doğal enerji kaynaklarını kullanmaları bakımında oldukça büyük enerji tasarrufu sağlayabilir. 21. yüzyılın sonuna gelmeden kullanım alanlarının gelişmesi muhtemel moleküler makinalar, pek çok teknolojik yeniliğin çekirdeğini oluşturacak nitelikte.
Çalışmanın temelini anlatmak için şöyle bir örnek verilebilir; kamçılı bakterilerin sahip olduğu sarmal şekilli makro moleküllerin (kamçı) dönme hareketi bakterinin ilerlemesini sağlar. Moleküler boyutta makinaların geliştirilmesinde bu gibi makro moleküllerin karmaşık yapılarının aydınlatılması çalışması önemli bir gelişme sağlanmasına sebep olmuştur.
Bu çalışmaların başlangıç noktası 1950’li yıllara dayanmaktadır. Moleküllerin oluşumunda atomların birbirlerine kovalent bağ ile bağlanabilmeleri kimyanın en basit kuralıdır. Geliştirilen yöntem ile direkt kovalent bağ ile bağlanamayan moleküllerin mekanik bağlar yardımıyla bağlanmaları sağlanabilir. Bu sayede nano boyutta (milimetrenin milyonda biri boyuttan bahsedilmektedir) makinaların dizaynı mümkün hale getirilebilir. 1950- 60’lı yıllarda başlayan çalışmalarda hedeflenen moleküllerin üretimi mümkün hale gelmiş fakat ürünün düşük verimli olması ve yöntemin karmaşıklığını kullanım alanı için kısıtlamalar getirmiştir. Bu başlangıç hayal edilen moleküler makinalar için bir itici güç oluşturmuş ve pek çok çalışma grubunun ilgisini çekmiştir. Türkiye’den başarılı bir bilim insanı olan Engin Umut Akkaya da moleküler makinaların geliştirilmesi ile ilgili önemli katkılarda bulunmuştur.
Bu yıl verilen ödülü paylaşan grupların çalışmaları şöyle:
Jean-Pierre Sauvage grubu foto-kimyasal yöntem ile kompleks oluşturma yöntemini temel almıştı. Hilal şeklinde bir molekül ile halka şeklinde başka bir molekül yapıştırıcı görevi gören bakır iyonu (Cu) varlığında birbirlerine çekilirler ve bir arada durabilirler ardından hilal şeklindeki üçüncü molekül de diğer hilal şeklindeki molekül ile birleşir ve böylece üç molekülün bir arada tutunması sağlanmış olur. Bu adımdan sonra bakır iyonu oluşan yeni molekülden ayrılır.
Şekil 1’de ilgili çalışmayı canlandıran bir oluşum mekanizması gösteriliyor:
Şekil 1. Bakır iyonu varlığında kompleks oluşumu
Sir J. Fraser Stoddart grubu, moleküler bir eksen üzerine halka şeklindeki bir molekülün hareket etmesi temeli üzerine çalışma yaptı. Elektronca fakir bir yapının moleküler eksen üzerinde bulunan elektronca zengin yapıya atak yapması ile bir halka kapanması mekanizması ortaya çıkar. Oluşan halka şeklindeki molekül sıcaklıkla eksen üzerinde bulunan elektronca zengin diğer bölgeye doğru hareket eder ve geçiş bu şekilde tekrarlanabilir. Stoddart çalışma grubu tarafından uzun süredir üzerinde çalışılan bu mekanizma sayesinde moleküler bilgisayar çiplerinin geliştirilmesi ile ilgili önemli çalışmalar yapılmıştı.
Şekil 2. Sir J. Fraser Stoddart grubu tarafından yapılan çalışmaya ait mekanizma
Bernard L. Feringa yönetiminde çalışmalarını yürüten grup ise 1999 yılında ilk moleküler motorları geliştirmiştir. Moleküller normal şartlarda pek çok kez sağ ve sola doğru şans eseri dönme hareketi yaparlar. Bu çalışmada ise mekanik olarak dizayn edilen moleküller özel bir yöne doğru dönme hareketi yapmaktadır. Yapılan çalışma ile elde edilen molekül saniyede 12 milyon kez hareket edebilecek kapasitededir. Şekil 3’de görülebileceği gibi UV ışığı altında molekül 180 derecelik bir dönme hareket yapar ve bir moleküler gerilme oluşturur ardından molekülün gerilmesi ile ortaya çıkan enerji molekülün tekrardan 180 derece dönmesini sağlar. Bu dönme hareketi UV ışığı varlığında bir döngü oluşturur.
Şekil 3. Bernard L. Feringa grubu tarafından geliştirilen moleküler motor.
2011 yılında grup tarafından geliştirilen yapı 4 adet mekanik dönme yapan molekülden oluşan bir makro moleküldür. Bu çalışmayı bir miktar daha açmak için Şekil 4 incelenebilir. Düz bir zincirin ön ve arka kısmına teker gibi bağlanan moleküller 180 derecelik dönme hareketi yaparak bir arabanın hareketini canlandırmaktadır.
Şekil 4. Moleküler motor ile tasarlanan nano araba
Kaynaklar:
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016/popular...
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016/advance...