Silnik mniejszy od wirusa, napędzany przez słońce. Współtwórcą przełomu polski chemik z UW

Międzynarodowy zespół z udziałem dr. inż. Wojciecha Danowskiego z Wydziału Chemii UW skonstruował silniki molekularne, które do pracy nie potrzebują już laserów ani lamp UV — wystarczy im światło słoneczne. To usunięcie jednej z głównych barier technologii nagrodzonej chemicznym Noblem w 2016 roku. Mikroskopijne maszyny, zamieniające światło w jednokierunkowy obrót cząsteczki, mogą w przyszłości napędzać inteligentne materiały, obniżyć energochłonność wychwytywania CO2 czy dostarczać leki prosto do guza. Ale — co badacz podkreśla z rzadką w nauce szczerością — na praktyczne zastosowania poczekamy 10, 15, a nawet 20 lat.

Czym jest silnik molekularny

Analogia, którą posługuje się sam naukowiec, jest mechaniczna: tak jak silnik spalinowy zamienia energię chemiczną paliwa na ciągły obrót wału korbowego, tak silnik molekularny zamienia dostarczoną energię na jednokierunkowy obrót jednej części cząsteczki względem drugiej. Wzorem jest natura — w każdej naszej komórce pracują biologiczne maszyny molekularne: syntaza ATP, białkowy kompleks kręcący się zawsze w jedną stronę, czy białka kroczące, transportujące ładunki wewnątrz komórek. Chemicy budują ich syntetyczne odpowiedniki od trzech dekad; w 2016 roku Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart i Bernard L. Feringa dostali za to Nagrodę Nobla.

Problem w tym, że dotychczasowe syntetyczne silniki wymagały wyrafinowanego zasilania: intensywnego światła laboratoryjnego o jednej, konkretnej długości fali — najczęściej ultrafioletu.

W naszej ostatniej pracy skonstruowaliśmy silnik molekularny, który napędzany jest światłem słonecznym. (…) Nasz silnik molekularny może wykorzystywać do swojej pracy światło słoneczne, które charakteryzuje się bardzo niską intensywnością, a także bardzo szerokim zakresem długości fal

— mówi agencji Newseria dr inż. Wojciech Danowski, adiunkt na Wydziale Chemii UW. Wyniki badań międzynarodowego zespołu z jego udziałem opublikował w tym roku prestiżowy „Journal of the American Chemical Society”. Co istotne, silniki działają w naturalnym świetle także po zatopieniu w matrycy polimerowej, a wydajność procesu fotochemicznego zmieniającego strukturę cząsteczki sięga ok. 80 proc. — podobnie w roztworze i w polimerze. Słońce to, jak zauważa badacz, „wszechobecne źródło taniej i dostępnej energii” — i to odróżnia nową konstrukcję od laboratoryjnych poprzedniczek.

Od samoczyszczących tkanin po gąbki na CO2

Lista potencjalnych zastosowań brzmi jak katalog science fiction, ale każda pozycja ma chemiczne uzasadnienie. Inteligentne materiały zmieniające właściwości pod wpływem światła: tkaniny, które na słońcu zmieniają strukturę, by odpychać kurz i wodę; karoserie usuwające drobne zarysowania; szyby samoczynnie regulujące przezroczystość i ilość przepuszczanego ciepła, odciążające klimatyzację. Miękka robotyka: polimerowa folia z wbudowanymi silnikami, która pod wpływem światła zwija się i wygina w zaprogramowany kształt.

Najciekawszy gospodarczo wątek dotyczy jednak wychwytywania dwutlenku węgla. Największym pożeraczem energii w technologiach CCS nie jest samo łapanie gazu, lecz regeneracja adsorbentu — uwolnienie zgromadzonego CO2, by materiał mógł pracować ponownie. Według Danowskiego pochłania to ok. 40 proc. energii całego procesu.

Możemy sobie wyobrazić taki materiał porowaty jako gąbkę, w której pory są na tyle małe, że są zdolne do selektywnego wychwytywania określonych gazów z powietrza. Taki materiał wystawiony na światło słoneczne dzięki napędzeniu ruchu wbudowanych w niego motorów molekularnych uwalniałby zmagazynowany gaz

— tłumaczy chemik. Gdyby regenerację zasilało darmowe słońce zamiast prądu czy ciepła, rachunek energetyczny całej technologii wyglądałby zupełnie inaczej.

Trzeci kierunek to medycyna: cząsteczka wykonująca kontrolowany ruch mogłaby kiedyś transportować chemioterapeutyk przez organizm i uwalniać go — na sygnał świetlny — dokładnie w chorym miejscu, oszczędzając resztę ciała. Zanim to nastąpi, trzeba jednak rozwiązać problemy sterowania maszynami wewnątrz organizmu, ich biokompatybilności i produkcji na skalę większą niż laboratoryjna.

Uczciwość zamiast hype’u: „jesteśmy jeszcze dość daleko”

W czasach, gdy każde odkrycie sprzedaje się jako rewolucję „już za pięć lat”, warto docenić, jak o własnej pracy mówi sam współautor.

Od praktycznych zastosowań jesteśmy niestety jeszcze dość daleko. Horyzont czasowy, o którym mówimy, to około 10, 15, a nawet 20 lat. Wynika to z faktu, że synteza silników molekularnych jest wciąż dość trudna i wymagająca. Nie jesteśmy też w stanie amplifikować ruchu pojedynczych cząsteczek aż do makroskali, czyli nie jesteśmy w stanie zrobić tego, co robi matka natura

— przyznaje Danowski. Barierą pozostaje też cena wytworzenia silników i wciąż niewielka wydajność konwersji światła na ruch mechaniczny. To dziś badania podstawowe — czyli ten rodzaj nauki, który nie obiecuje produktu na jutro, ale bez którego żadnych produktów pojutrze nie będzie. Dobrze, że w tym akurat wyścigu — zapoczątkowanym przez noblistów, w tym promotora całej dziedziny Bena Feringę — polska chemia siedzi w czołowym peletonie, a nie na trybunach.

Źródło: Newseria, „Journal of the American Chemical Society”