Kálmán Erika

A delhi vasoszloptól a molekuláris építészetig - a kémia új perspektívája

"Nem mond ellent a fizika alapvető törvényeinek, hogy bármit is összeszereljünk atomról atomra." (Richard Feynman, 1959)

A kémia tudománya az elmúlt évszázadban a molekulák és a molekulák reakcióinak tudománya volt. A kovalens kémia kötés mesteri felhasználásával a szintetikus kémia eljutott oda, hogy a kémia kötés szabályai szerint felrajzolt bármely molekula előállítására képes. Az élet kémiai folyamataiból ellesett megoldások mesteri utánzása a kémia fejlődésének új távlatot nyitott, létrehozta a kémia egy új fejezetét, a szupramolekuláris kémiát, vagy más néven nanokémiát, a nem-kovalens kémiai kötéssel kapcsolódó molekulák halmazainak kémiáját. A nanokémia a molekuláris építészet megteremtéséhez vezetett. Ma már nanoméretű molekuláris eszközöket, az élő anyag bizonyos tulajdonságaival felruházott komplex anyagokat tudunk tervezetten előállítani. Az előadás számos példával mutatja be az építkezés eszközeit, építőelemeit, a nevezetes szupramolekulákat, továbbá vázolja az új kémia nanotechnológiai jelentőségét.

I. Bevezetés
A 20. században az anyagok megismerésében a nagyobb részek felől a kis és még kisebb építőelemek felé haladtunk - így miniatürizáltuk elektronikus eszközeinket is. Ha megfigyeljük a megtett utat, láthatjuk, hogy a nagyméretűtől a kicsi felé haladva, a kicsinyítés során elértük a vírusok méretét. Az utóbbi évtizedekben egy új izgalmas gondolat született meg: miért ne lennénk képesek a fordított úton is haladni, elindulni a kicsitől, a molekulától és nanomotort, tranzisztort, esetleg sejtet építeni?

II. A molekuláktól a szupramolekulákig
A meteoritoknak és az univerzum távoli részeiről érkező fény spektrumának analízise több mint 100 szerves molekula létezését igazolta. Ismereteink halmozódtak fel a biológiai anyag szerkezetéről, szervezettségéről. A két ismerethalmaz közötti fehér folt a biológiát közvetlenül megelőző kémia - a prebiotikus kémia, amely magyarázatot adhat arra, hogy melyek azok a kémiai folyamatok, amelyek biológiai jelenségekhez vezetnek. Ezért fontos az élő anyag tulajdonságaival rendelkező összetett anyagok tervezett előállítása, vagyis a molekuláris építészet.

1. Molekulák építése kovalens kémiai kötéssel
2. Molekuláris építészet a világegyetemben
3. A biológiai anyag molekuláris építészete
4. Szupramolekulák kialakítása kovalens kötéssel

III. A molekuláris önszerveződés jelensége
Az út a molekuláris építkezésben az egyszerű anyagi építőelemektől a komplex anyagi rendszerekig az anyag önszerveződésén keresztül vezet. Spontán önszerveződő folyamat a biológiában a membránok, a sejtek és a különböző szervek kialakulása, de maga az élet folyamata, a növekedés és a fejlődés is. A molekuláris önszerveződés során a molekulák vagy a molekulák valamely részei spontán módon halmazokba rendeződnek. Az önszerveződéssel kialakított szerkezetek reverzibilisek és flexibilisek, a folyamat során kijavíthatják hibáikat.

IV. Tervezett építkezés molekulákkal
A természet néhány milliárd év alatt az önszerveződésre alapozva elegáns kivitelezési stratégiát dolgozott ki összetett rendszerek felépítésére. Az alapjában egyszerű szerkezetű és kölcsönhatású építőelemekből komplex magasabb rendű szerkezettel rendelkező, nagy szimmetriájú molekulahalmazok épülnek fel. A magasabb rendű szerkezetek szintetikus előállításához is egyszerű építőelemekre van szükségünk. Ezeket úgy kell megterveznünk, hogy önszerveződéssel célszerűen kapcsolódjanak egymással és hozzák létre az eltervezett szimmetriájú és feladatú szupramolekulákat. A molekuláris építészet célkitűzése molekuláris eszközök létrehozása.

V. Molekuláris építészet felületeken
Molekulák önszerveződése határfelületeken bizonyos fokig irányított önszerveződés. A felület atomi elrendeződése hatással van a molekulák szerveződésére. A fémek felületén kialakuló monomolekuláris vagy többrétegű filmek módosítják a felület tulajdonságait. Felületmódosítással eszközeink hatékonyságát növelhetjük: öntisztító, öngyógyító, önkenő, önsterilizáló és az adott környezeti hatásoknak jobban ellenálló anyagok előállítása válik lehetővé.

VI. Összefoglalás
A kicsitől a nagy felé vezető molekuláris építészet egyrészt közelebb visz minket a biológiai jelenségek kialakulását megelőző prebiotikus kémia megértéséhez, másrészt módszerei reményeink szerint felhasználhatók lesznek molekuláris eszközök (molekuláris áramkörök, szenzorok, molekuláris gépezetek) vagy molekuláris számítógép tervezéséhez és építéséhez is.

Tovább