Bonyolult molekulákról egyszerűen

Kémikus építészek az élet kapujában

Futurisztikusnak tűnő kérdés: eljut-e odáig a tudomány, hogy mesterséges úton felépített molekulákból élő anyagot, életet hozzanak létre? Erre a kérdésre az egyre tökéletesebb anyag-előállítás avatott mestereitől, a kémikusoktól remélhetünk választ.

Áll Delhiben egy hét méter magas, hat tonnás vasoszlop - egy győzelmi emlékmű -, melyet 1600 éve állítottak. Csodálatos színekben játszik, a kékesfeketétől a barnásvörösig - és egyáltalán nem rozsdásodik. A vasoszlopban aprónál apróbb (nanométeres) salakszemcsék, felületén pedig többrétegű filmborítás. Kiváló korrózióálló tulajdonsága a korabeli kohászati eljárásnak köszönhető, melynek eredményeként a felületi rétegben feldúsult a foszfor, ami megvédi az oszlopot.
A "titkos" oszlopépítő technikáról tucatnyi elmélet született, de a megoldást a (nano)kémia tudománya kínálta tálcán.
A nanokémia a nemkovalens kötéssel létrejövő molekulákkal foglalkozik, a múlt századi kémikusok által oda-vissza jól ismert kovalens (az atomok között közös elektronpárral létrejövő) kötéssel való operálás tehát elérte határait: bonyolultabb molekulákat ezzel már nem lehet létrehozni. A kémia és a kémikusok alapvető feladata, hogy minél tökéletesebb anyagokat állítsanak elő. A kovalens kötés által nyújtott korlátozott lehetőségek helyett a 20. század végétől a tudomány jóvoltából (a fémes datív-, illetve hidrogénkötések, valamint a Waals-erők segítségével) egészen összetett, különös tulajdonságokkal rendelkező anyagokat tudunk előállítani. Olyanokat, mint a delhi oszlop. Ez a nanokémia.

Az így létrejövő, vagy az ember által tudatosan felépített úgynevezett szupramolekulák az élő anyag bizonyos tulajdonságaival rendelkeznek. Ez nem csoda, hiszen a kémikusok az élet kémiai folyamataitól lesték el a megoldásokat.
Kérdés, eljut-e odáig a tudomány, hogy mesterséges úton felépített molekulákból élő anyagot, életet hozzanak létre. A világűr távoli részében az ember megfigyelte az egyszerű szerves molekulákat, mint például egy cukormolekulát, a Földön pedig megfejtettük számos biológiai jelenség kémiai hátterét, például a DNS-ét. A két felfedezés - a cukortól a DNS-ig - elég távol esik egymástól, a köztük lévő hatalmas fehér folt pedig nem más, mint magának az életnek, vagyis az életet megelőző kémiának a megismerése. Ebben segít az élő anyag tulajdonságaival rendelkező összetett anyagok tudatos előállítása, vagyis a molekuláris építészet, a szupramolekuláris kémia, más néven a nanokémia, amely jelentősen hozzájárulhat az élet eredetének megértéséhez. Az új, intelligens anyagok születésének terén már eddig is számtalan eredmény született - bár Frankensteintől egyelőre nem kell tartani.
Melyek az élő molekulák legfontosabb tulajdonságai, amelyeket a molekuláris építészetben hasznosítani lehet? Először is az alkotóelemek funkciójuk szerint rendeződnek - gondoljunk csak a már említett DNS spirálra. Fontos tulajdonság az önszerveződés, melynek során a molekulák közötti kapcsolatok külső ok nélkül megerősödnek, és az anyag egyre rendezettebbé válik. Az élő anyag nagymolekulái képesek továbbá arra, hogy baj esetén megjavítsák, illetve ha ez nem megy, reprodukálják magukat. Erre a mesterségesen létrehozott szupramolekulák nem képesek, ez a molekuláris építészet egyik nagy kihívása, mellyel kapcsolatban számos kutatás folyik. Az élő anyag molekulahalmazai képesek továbbá a növekedésre és a környezethez való alkalmazkodásra is. Ha a tudomány képes lenne olyan szupramolekula előállítására, melyben mindezek a tulajdonságok megvannak, még akkor sem biztos, hogy életre kelne a "teremtmény".
Az út a molekuláris építkezésben az anyag önszerveződésén keresztül vezet a szemmel nem látható dolgoktól, az atomoktól, elektronoktól egészen a naprendszerekig, a galaxisokig, sőt az élő, gondolkodó anyagig. Tehát a kicsitől a nagy felé építkezés technológiáját az önszerveződésre kell alapozni. Jórészt azért is, mert az önszerveződéssel létrejött anyagok ideális körülmények között menet közben kijavítják saját hibáikat.

Természetesen a molekuláris építkezésnek koránt sem egyetlen célja az élet megismerése. A molekulák másképp is lehetnek "intelligensek", például mint egy számítógép. A computer működésének kiindulópontja ugyanaz, mint egy villanykapcsolóé: van jel, vagy nincs jel, igen vagy nem, 1 vagy 0. Megfigyelték, hogy egyes szerves molekulák bizonyos hatásokra megváltoztatják szerkezetüket és elektromos tulajdonságaikat. Ez a folyamat visszafordítható, tehát ha megszűnik a kiváltó ok, a molekula visszanyeri eredeti állapotát - vagyis a molekula kapcsolóként működik. Kutatók már számos eredményt értek el nemcsak ilyen egyszerű "igen/nem", de összetett logikai feladatokat megoldó, "és/vagy" kapcsolatokból álló molekuláris kapcsolórendszerek előállításában is. Az emberiség elindult a molekuláris számítógép megvalósítása felé!
Mindezeknél azonban van egy jóval hétköznapibb, sőt mindenki által jól ismert hasznosítási területe a molekuláris építészetnek és most visszatérünk a delhi győzelmi oszlophoz -, ez pedig nem más, mint a felületkezelés. A felületek tulajdonságai, mint például a súrlódás vagy a korrózióállás, befolyásolják eszközeink hatékonyságát, sőt, még a számítógépek processzorai méretének csökkentésére is hatással lehetnek. A kulcsszó itt is az önszerveződés: az önmaguktól rendeződő molekulák szoros illeszkedése nagyon hasznos tulajdonságokat hoz létre a velük kezelt felületeken. Az úgynevezett SAMs-réteg például képes befolyásolni a víztaszító képességet, vagy akár arra is képes rávenni a felületre - mondjuk házfalra - került esőcseppet, hogy amikor legördül, magával vigye a falon lévő port is. A legmegdöbbentőbb, hogy a SAMs réteg akár öngyógyításra is képes, vagyis karcolás után néhány perccel a molekulák maguktól visszarendeződnek eredeti állapotukba. Mindezt úgy, ahogy a természettől tanulták.
Mert amíg a 20. század kémiája a természetes anyagok mesterséges úton való előállításáról szólt, addig a 21. század kémiája - úgy tűnik - figyeli, és hagyja kibontakozni a természetet.