2016 Nobel Kimya Ödülü, saç telinden binlerce kez daha küçük olan moleküler makineler için Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart ve Bernard L. Feringa’ya verildi. Anlatılacak olan, küçücük kaslar, motorlar ve zayıf kaldırıcılar gibi moleküler makineleri oluşturmak için, molekülleri birbirine nasıl başarıyla bağladıklarının öyküsü.
Bir makineyi ne kadar küçük yapabilirsiniz? Bu soru, 1950’lerde nanoteknolojinin gelişimini tahmin eden Nobel Ödüllü Richard Feynman’ın 1984’te sorduğu ileri görüşlü bir soru. Derste, pembe tişörtü ve bej şortuyla seyirciye döndü ve şöyle dedi: “Şimdi de çok küçük hareketli parçalardan makine yapma ihtimalini konuşalım.”
Feynman, nanometre boyutunda makineler yapmanın mümkün olduğuna ikna olmuştu. Aslında bunlar doğada zaten mevcuttu. Örnek olarak bakterilerin kuyruğunu vermişti. Burgu şeklindeki bir makro molekül dönerek bakterinin ileri gitmesini sağlıyordu. Fakat insanlar o kocaman elleriyle, görmek için elektron mikroskopuna ihtiyaç duydukları makineleri yapabilecek miydi?
Gelecek öngörüsü: Moleküler makineler 25-30 yıl içinde var olacak
“Çok küçük makineleri yapmanın bir yolu, kendi elimizden daha küçük mekanik eller yapmak olabilir” demişti Feynman. Fakat daha o zaman denemelerin büyük bir başarı elde edemediğini de eklemişti.
Feynman’ın daha çok güvendiği diğer bir yol ise, tersyüz edilmiş bir makine inşa etmekti. Bu teorik yapıda, silikon gibi farklı maddeler katman katman bir yüzeye kaplanır. Sonrasında elektrik akımı ile kontrol edilen hareketli parçalar yaratarak bazı katmanlar çözünür veya kaldırılır. Feynman’ın tahminine göre bu tarz bir yapı, çok küçük bir kamera için optik perde yapabilirdi.
Dersin amacı dinleyicilerin içindeki araştırmacılara ilham vermek ve onları mümkün olduğunca limitleri düşünmeye zorlamaktı. Sonunda notlarını toplarken Feynman kalabalığa sinsice bakıp şöyle söylemişti: “Bildiğiniz bütün makineleri yeniden tasarlarken güzel zaman geçirin ve o makinelerin işe yarar şekilde kullanıma girmesi için 25-30 yıl bekleyin. Ne işte kullanılacaklarını ben de bilmiyorum.”
O gün ne Feynman ne de dinleyiciler moleküler makinelerin ilk adımlarının atıldığını biliyordu. Fakat ilk adım Feynman’ın tahminlerinden daha farklı bir yolla oldu.
Birbirine geçmiş moleküller
20. yüzyılın ortalarında kimyacılar gelişmiş moleküller üretmek için yüzük şeklindeki molekülleri bağlayarak moleküler zincir üretmeye çalışıyordu. Bunu başarabilen sadece yeni bir molekül yaratmakla kalmayacak, aynı zamanda yeni bir bağ oluşturmayı da başarmış olacaktı. Normalde moleküller elektronlarını paylaştıkları kovalent bağlarla bağlanır. Hayal edilen ise mekanik bağlarda olduğu gibi, moleküllerdeki atomların doğrudan birbirini etkilediği moleküller yerine, içi içe geçmiş moleküller yaratmaktı (Şekil 1).
1950 ve 1960’larda pek çok araştırma grubu deney tüplerinde molekül zincirleri oluşturduğunu beyan etti, ama bunları elde etmek çok karmaşıktı ve sonucunda çok küçük bir miktar üretilebiliyordu. Süreç kimyasal olarak kullanımından çok, merak üzerinden yürüyordu. Uzun yıllar denemelerin sonucunda bazıları pes etti, bazıları da alandan bıktı. Fakat büyük sıçrayış 1983’te gerçekleşti. Jean-Pierre Sauvage önderliğindeki bir Fransız araştırma grubu molekülleri kontrol etmeyi başardı.
Jean-Pierre Sauvage molekülleri bakır iyonu etrafında topladı
Pek çok araştırmada olduğu gibi gereken ilham çok başka bir alandan geldi. Sauvage fotokimya üzerinde çalışıyordu. Amacı kompleks (tümleşik) molekülleri geliştirmek için Güneş’ten gelen enerjiyi yakalamak ve kimyasal tepkimeyi sürdürmekti. Bu fotokimyasal açıdan aktif ve kompleks moleküller için bir model geliştirirken, onların molekül zincirlerine çok benzediğini fark etti: İki molekül, merkezdeki bir bakır iyonu etrafında birbirine dolanıyordu.
Benzerliği fark ettikten sonra Sauvage’ın çalışması tamamen değişti. Fotokimyasal kompleksleri model olarak kullanarak, bir tane yüzük, bir tane de hilal şeklinde molekül oluşturdu ve bunların bakır etrafında etkileşime girmesini sağladı (Şekil 1). Bakır iyonu aralarında yapıştırıcı rolü oynadı ve molekülleri bir arada tuttu. İkinci adımda, grup diğer hilal parçasını oluşturdu ve yüzük oluşturacak şekilde birleştirerek zincirin ilk halkasını yarattı. Son olarak aradaki bakır iyonunu kaldırdılar.
Kimyacılar tepkimenin getirisinden bahsederken şunu kastederler: Oluşturulan hedef molekülde yüzde kaç başlangıçtaki molekülden bulunuyor? Önceki araştırmalarda, en iyi ihtimalle yüzde 1-2 elde edilirken, Sauvage’ın yöntemiyle yüzde 42’ye ulaşıldı ve sonrasında molekül zincirleri sadece merak unsuru olmanın ötesine geçti. Devrimsel yöntem sayesinde topolojik kimya yeniden hareketlendi ve Sauvage ve J. Fraser Stoddart bu alanın liderleri olarak mitolojik yeni molekül sembolleri yarattılar (Şekil 2).
Molekül makinelerine doğru ilk adım
Jean-Pierre Sauvage molekül zincirlerinin (Latince ’de zincir anlamına gelen catena’dan türetilen ve catenanes adı verilen), moleküler makinelerin ilk adımı olabileceğini çok geçmeden anladı. Bir makinenin işleyebilmesi için farklı parçalarının birbiriyle ilişkili olarak hareket edebilmesi gerekir. İç içe geçmiş iki halka bunu başarabilir. 1994’te Sauvage’ın ekibi bir halkanın diğer halkanın etrafında kontrollü bir şekilde dönebildiği bir catenane yarattı. Bu aynı zamanda ilk biyolojik olmayan moleküler makineydi. İkinci moleküler makine, İskoçya’nın elektrik ve modernlikten uzak bir çiftliğinde yetişmiş bir kimyacı tarafında geliştirildi.
Fraser Stoddart bir molekül halkasını moleküler milin üzerine uyguladı
Stoddart’ın yetiştiği zamanda bilgisayar ve televizyon yoktu. O da kendini bulmacalara verdi ve bir kimyacının ihtiyaç duyabileceği, şekilleri fark etme ve birbiriyle bağdaştırma üzerine bir yetenek kazandı. Kimyaya ilgisi molekül sanatçısı olmak istemesiyle de bağlantılıydı, hem de dünyanın daha önce hiç görmediği şekilleri yapacak bir sanatçı.
Stoddart 2016 Nobel Kimya Ödülü’nü alırken kimyanın, birbirini etkileyen molekülleri tasarlama potansiyelini kullandı. 1991’de ekibi elektron bakımından eksik bir halka ve elektron bakımından zengin ve uzun bir yapı yarattı (Şekil 3). İki molekül bir çözeltide karşılaştıklarında, elektron eksiği olan diğerinin üzerine kapandı ve halka oluşturdu. Mekanik olarak mile tutunmuş yüzük yüksek oranda bağlandı ve rotaxane’i oluşturdu.
Fraser Stoddart halkayı mil üzerinde ısı vererek ileri geri oynatabiliyordu. 1994’te bu hareketi tamamıyla kontrol edebiliyordu ve kimyasal sistemlerdeki hareketi belirleyen sıradanlık aşılmıştı.
Bir kaldıraç, bir kas ve minicik bir çip
1994’ten beri Stoddart’ın ekibi çeşitli rotaxane’leri kullanarak farklı moleküler makineler yaptı. Bunlardan biri kendini 0,7 nanometre yukarı kaldırabiliyordu (2004, Şekil 4). Bir diğeri yapay kas gibi davranarak ince altın tabakaları bükebiliyordu (2005).
Başka araştırmacılarla birlikte Stoddart rotaxane tabanlı, 20 kB hafızalı bilgisayar çipi de geliştirdi. Bugün kullanılan transistorlar oldukça küçük, ama molekül tabanlılarla karşılaştırıldığında devasa kalıyor. Araştırmacılar moleküler çiplerin bilgisayar teknolojisinde, bir zamanlar silikon tabanlı çiplerin yarattığına benzer bir devrim yaratabileceğine inanıyor.
Jean-Pierre Sauvage da rotaxane’lerin potansiyelini inceledi. 2000’de aynı araştırma grubu, iki molekül ilmeğini birbirine bağlayarak insan kasındaki liflere benzeyen elastik yapılar oluşturdu (Şekil 5). Ayrıca, yaptıkları şey motora da benziyordu, çünkü rotaxane’deki halkalar farklı yönlerde dönebiliyordu.
Molekül mühendisliği için aynı yönde sürekli dönebilen motorlar üretebilmek önemli bir hedefti. 90’lardan beri pek çok yol denendi, ama çizgiye ilk ulaşan Hollandalı Bernard L. Feringa oldu.
Ben Feringa moleküler motorları ilk kez üretti
Fraser Stoddart’a benzer bir şekilde, Ben Ferinda da bir çiftlikte büyüdü ve kimyanın yaratıcılığı teşvik eden sonsuz fırsatından etkilendi. Bir söyleşisinde şöyle diyordu: “Belki de kimyanın gücü sadece anlayışta değil, daha önce görülmemiş molekülleri ve malzemeleri yaratmakta…”
1999’da Feringa ilk molekül motorunu yarattı ve motorun aynı yönde dönmesi için sayısız zekice yöntem kullandı. Normalde molekül hareketleri şansla belirlenir. Genelde dönen bir molekül daha çok sağa doğru döner; ama Feringa tek bir yönde dönecek molekül yarattı (şekil 6).
Molekül iki küçük motor palesinden oluşuyor gibiydi. İki tane düz kimyasal yapı, iki karbon atomu arasında ikili bağ yaparak birleşiyordu. Her motor palesine yapışan bir metil grubu, molekülün aynı yönde dönmesini sağlayan mandal görevi görüyordu. Moleküle ultraviyole ışık uygulandığında palelerden biri ortadaki ikili bağ etrafında 180 derece dönüyordu ve aynı yönde devam ediyordu.
İlk motor çok fazla hızlı değildi ama, Feringa’nın ekibi 2014’te hızı saniyede 12 milyon dönüşe çıkardı. 2011’de aynı ekip 4 molekül motoruyla çalışan nano-araba yaptı. Tekerler döndüğünde araba yüzeyde ilerledi (Şekil 7).
Moleküler motoru küçük cam silindiri döndürüyor
Bir diğer etkileyici deney, Ben Feringa’nın araştırma grubu tarafından gerçekleştirildi. 28 mikrometre boyutundaki uzun cam silindiri (molekül motorundan 10.000 kat daha büyük) döndürmek için molekül motorları kullanıldı. Motorlar, kristal yapılı bir sıvıyla çalıştırıldı. Moleküler motorların yalnızca yüzde birini oluşturan sıvı, motorlar dönmeye başladıktan sonra yayılarak yapısını değiştirdi. Araştırmacılar sıvı kristalin üzerine cam silindiri yerleştirdiklerinde, silindir motorlar tarafından sağlanan hareketle dönmeye başladı.
Moleküler alet çantası
Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart ve Ben Feringa tarafından atılan sarsıcı adımlar, dünya çapında moleküler makinelerin gelişmesini sağladı. En çarpıcı örnek aminoasitleri yakalayıp kesen moleküler robot oldu. Robot, 2013’te rotaxane ile inşa edildi.
Başka araştırmacılar moleküler motorlarla uzun polimerleri bağladı ve polimerler dolaşık ağlar oluşturdu. Moleküler motorlar ışıkla karşılaştığında, polimerleri karışık bir bağla sarmaladı. Bu yolla ışık enerjisi moleküllerde tutulmuş oldu ve eğer araştırmacılar bu enerjiyi açığa çıkarmak için bir yol bulabilirlerse, yeni bir batarya türü geliştirilebilir. Motorlar polimerlerle dolaştığında aynı zamanda malzeme de küçülür. Bu özellik ışığa duyarlı sensör geliştirmek için de kullanılabilir.
Dengeden çok uzak, yeni ve canlı bir kimyaya doğru
Nobel Ödülü’ne giden yoldaki gelişmelerin önemli bir parçası da araştırmacıların moleküler sistemleri dengeden uzak bir şekilde kullanmaları. Tüm kimyasal sistemler daha düşük bir enerji seviyesine ulaşmaya çalışır, ama bu bir açmazdır. Örnek olarak hayatı düşünebiliriz. Yemek yediğimiz zaman gıdalardaki enerjiyi vücuttaki moleküller alır ve bu molekülleri dengeden uzaklaştırarak yüksek enerji seviyelerine taşır. Biyomoleküller bu enerjiyi vücut için gerekli kimyasal tepkimelerde kullanır. Eğer vücudumuz kimyasal dengede ise, bu bizim ölü olduğumuz anlamına gelir.
Hayatımızdaki moleküllere benzer bir şekilde Sauvage, Stoddart ve Feringa yapay molekülleri belirli görevler için kullandı. Bu sebeple, kimya yeni bir dünyaya ilk adımlarını attı. Bilgisayar teknolojilerini küçültmenin devrimsel etkisini zaman açıkça gösterdi, henüz küçültmenin ilk aşamalarında olmamıza rağmen. Gelişim süreçleri açısından, molekül motorlarının 1830’daki elektrik motorları seviyesinde olduğunu söyleyebiliriz. Araştırmacılar gururla laboratuvarlarında dönen krankları ve tekerleri göstermişlerdi ama, onların bulaşık makinesine veya mutfak robotuna dönüşeceklerine dair hiçbir fikirleri yoktu.
Feynman’ın ileri görüşlü dersinden 32 yıl sonra, önümüzdeki heyecan verici gelişmelerin neler olabileceğini ancak tahmin edebiliyoruz. Fakat “Bir makineyi ne kadar küçük yapabiliriz?” sorusuna artık bir cevabımız var: Saç telinin binde birinden daha ince.
2016 Nobel Kimya Ödülü’nü alanlar
Jean-Pierre Sauvage, 1944’te Paris’te doğdu. Doktorasını 1971’de Strasburg Üniversitesi’nden aldı. Aynı üniversitede emekli öğretim üyesi ve Fransa Ulusal Bilim Merkezi (CNRS)‘nde emekli araştırma yöneticisi. Sir J. Fraser Stoddart, 1942’de Edinburgh, İngiltere’de doğdu. Doktorasını 1966’da Edinburgh Üniversitesi’nden aldı. Amerika’da, Northwestern Üniversitesi’nde kimya profesörü. Bernard L. Feringa, 1951’de Barger-Compascuum, Hollanda’da doğdu. Doktorasını, Hollanda’da Groningen Üniversitesi’nden 1978’de aldı. Aynı üniversitede organik kimya profesörü.
