Chemiczne węzły, rotaksany i trzepotanie. Jak prof. Szyszko projektuje ruch w skali molekularnej

Zwykłe cząsteczki przypominają konstrukcje sklejone od środka – atomy trzymają się razem dzięki silnym wiązaniom chemicznym. Można też zbudować materię inaczej: tak, by jej elementy nie były sklejone, tylko przeplecione jak ogniwa łańcucha. Taki sposób wiązania tworzy cząsteczki o zupełnie nowych właściwościach – potrafią się poruszać, wyginać i reagować na bodźce. Właśnie nimi zajmuje się prof. Bartosz Szyszko z Uniwersytetu Wrocławskiego, laureat tegorocznej Nagrody Narodowego Centrum Nauki

– Chemicy zwykle badają molekuły połączone klasycznymi wiązaniami kowalencyjnymi lub jonowymi, ja natomiast chciałem zająć się topologią chemiczną – wyjaśnia prof. Szyszko. W tej dziedzinie cząsteczki nie są „sklejone”, lecz powiązane przestrzennie. Dwa pierścienie można więc przepleść jak ogniwa w łańcuchu (to tzw. katenany), albo nawlec pierścień na liniową oś, której końce zablokowane są tak, by uniemożliwić jego zsunięcie (rotaksany). Istnieją nawet pojedyncze makrocząsteczki, które same zaplatają się w węzły – podobnie jak liny na żaglówkach.

Takie układy, choć tworzą trwałą całość, mają zupełnie inne właściwości niż klasyczne związki chemiczne. Ich części mogą się względem siebie poruszać, a ten ruch można kontrolować z zewnątrz. – Okazuje się, że taki układ zablokowany mechanicznie może mieć zupełnie inne właściwości niż jego składniki – podkreśla naukowiec.

Trzepocząca cząsteczka

Zespół prof. Szyszko odkrył nowy rodzaj ruchu w rotaksanach – cząsteczkach, w których pierścień nawleczony jest na oś. Dotąd chemicy znali dwa typy: przesuwanie się pierścienia wzdłuż osi i jego obrót wokół niej. Badacze z Wrocławia zaobserwowali trzeci, bardziej złożony. – Oś wygina się w charakterystyczny sposób, który skojarzył nam się z ruchem skrzydeł podczas lotu. Nazwaliśmy go trzepotaniem – opowiada profesor.

To pozornie drobne odkrycie ma duże znaczenie. Pokazuje, że ruch w skali molekularnej można precyzyjnie projektować i kontrolować. Właśnie w tym kierunku zmierza chemia maszyn molekularnych – dyscyplina, której celem jest budowanie cząsteczek wykonujących konkretne zadania pod wpływem bodźców chemicznych, elektrycznych czy świetlnych.

W laboratorium nie da się „złożyć” takiej cząsteczki jak z klocków Lego. Aby powstała, naukowcy projektują mniejsze fragmenty – tzw. ligandy – które niosą w sobie informację, jak mają się połączyć. Kluczową rolę odgrywają jony metali przejściowych, pełniące funkcję rusztowania.– Dobór odpowiedniego templatu, czyli szablonu, i cząsteczki organicznej pozwala uzyskać bardzo złożone struktury – wyjaśnia badacz.

Zespół z Uniwersytetu Wrocławskiego wykazał, że zamiast pojedynczych jonów można używać par metali, np. srebro–srebro, które równie skutecznie kierują samoorganizacją. Chemicy odkryli też, że zastąpienie klasycznych fragmentów pirydynowych szkieletem pirolowym zwiększa ruchliwość wewnętrzną całego układu. – W tych cząsteczkach wszystko się rusza. Po co to komu? Jeszcze nie wiemy. Ale jeśli uda nam się nad tym ruchem zapanować, możemy uzyskać materiały o kontrolowanych i trudnych do przewidzenia właściwościach – przyznaje profesor.

Od czystej ciekawości do nanomaszyn

Na razie to czysta nauka – badania prowadzone z ciekawości i potrzeby zrozumienia materii. Jednak rotaksany i katenany już dziś znajdują zastosowanie. Wykorzystuje się je do kontrolowanego uwalniania leków, w czujnikach chemicznych i w miękkiej robotyce. – Zrozumienie zachowania pojedynczych molekuł połączonych mechanicznie przybliża nas do projektowania nowoczesnych, inteligentnych materiałów i nanomaszyn, których potencjalnych zastosowań być może jeszcze nie potrafimy sobie wyobrazić – mówi prof. Szyszko.

Laureat należy do „Pokolenia NCN”, czyli badaczy, których kariera naukowa rozwijała się wraz z programami Narodowego Centrum Nauki. Był laureatem pierwszej edycji konkursu PRELUDIUM, a do dziś kierował lub kieruje pięcioma grantami NCN. W dorobku ma też Nagrodę im. Włodzimierza Kołosa PAN, wyróżnienie Iuvenes Wratislaviae, stypendium dla młodych naukowców MNiSW oraz program START Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Publikuje w czołowych czasopismach, m.in. Angewandte Chemie, Journal of the American Chemical Society i Nature Communications. Jest również członkiem Akademii Młodych Uczonych PAN.

– Zawsze podobały mi się duże cząsteczki – śmieje się chemik, dodając: – To jest trochę nieracjonalne, ale w tym chyba tkwi urok tej pracy.

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi