המחקר התפרסם במגזין המדעי היוקרתי Science, ובו מתארים החוקרים כיצד הצליחו, באמצעות העברה של זרם חשמלי או חשיפה לאור, לגרום למולקולה להסתובב על צירהּ, בדומה לפעולתו של מנוע.
מסקנות המחקר יכולות להוביל להרכבה של ננו-רכיבים בגודל מולקולרי, מיליארדית המטר, והם עשויים לשמש בתהליכים תעשייתיים או כירורגיים שבהם אי אפשר להשתמש בציוד גדול יותר.
החוקרים, כותבי המאמר למגזין Science, הם פרופסור רועי בֶּר מהמכון לכימיה באוניברסיטה העברית בירושלים, יחד עם תלמידתו אסתר ליפשיץ, הפרופסור דניאל ניוהאוזר, הפרופסור מ' פרדריק הות'ורן, ד"ר ג'פרי א' זינק, ג'וני מ' סקלטון, ד"ר מיכאל ג' באייר וכריס ליאו מאוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס.
פרופ' בר הסביר כי מכונות זעירות כבר קיימות במערכות ביולוגיות טבעיות. לדוגמה, בקטריות מסוימות מצוידות במנוע מולקולרי זעיר מידות המחובר ל"משוט" והמאפשר להן תנועה במים. "חומר הדלק" המניע את המנועים האלה הוא מולקולות עתירות אנרגיה הקיימות בתא החי והמתוכנתות לשחרר את האנרגיה האצורה בהן בעת פירוקן הכימי.
האתגר העומד בפני החוקרים הוא תכנון מכונות מולקולריות מעשה ידי אדם, שאינן מוגבלות בהכרח לתפקוד בתאים חיים, ואשר יהיה אפשר לשלוט בהן ולהניע אותן באמצעות אור או חשמל. פעולה ממונעת מעין זו כבר הושגה בעבר, אולם בצוות האוניברסיטה העברית וב UCLA מציינים כי לראשונה הצליחו להגיע לנעילה של המולקולה. הודות לפעולת הנעילה, כך מאמינים החוקרים, יש אפשרות לגרום למנוע המולקולרי לבצע עבודה מכנית שעד כה לא הושגה כל עוד המנוע לא עצר וננעל במקומו. הדבר עשוי לאפשר שימוש במכונות מולקולריות דוגמת מתגים זעירים או למלא משימות מכניות אחרות.
"מכונות מולקולריות הן עדיין חזון רחוק", אמר פרופ' בר, "אולם ברגע שטכנולוגיה כזאת תהיה נגישה נוכל להרכיב חומרים חדשים ולשלוט בתכונותיהם בדייקנות רבה. מובן שגם נוכל לשלוט בתהליכים העדינים ביותר המתרחשים בתא החי ולהביא לייעול בביצוע ניסויים רפואיים ולטיפול אולטימטיבי".
המולקולה ששימשה את החוקרים מורכבת מארבעה יסודות: בורון, פחמן, ניקל ומימן. הניקל היה המפתח לתהליך, וזאת בשל יכולתו להתקשר בדרכים שונות למולקולות.
המודל שפותח מורכב משני מבנים דמויי כדור, המונחים על ציר אנכי משותף. כאשר הם נחשפים לאור או לזרם חשמלי מסתובב הכדור העליון ביחס לתחתון בזווית של °144. בתום הסיבוב ננעלת המולקולה במצבה החדש.
באמצעות מדידת הבליעה והפיזור של אור מן המולקולה ושימוש בחישובים תיאורטיים מפורטים הצליחו החוקרים ללמוד את אופן הפעולה המדוקדק של המולקולה. עתה מנסים החוקרים למצוא דרך לקַבֵּעַ כדור אחד למשטח מוצק ואת הכדור האחר לחבר באמצעות שרשרת מולקולרית לשסתום הפותח או הסוגר אזורים מסוימים על פני המשטח. חיבור של שתי מולקולות כאלו, או יותר, לאורך ציר הסיבוב המשותף שלהן יאפשר השגה של זוויות סיבוב נוספות (כפולות של °144). (ש)
מסקנות המחקר יכולות להוביל להרכבה של ננו-רכיבים בגודל מולקולרי, מיליארדית המטר, והם עשויים לשמש בתהליכים תעשייתיים או כירורגיים שבהם אי אפשר להשתמש בציוד גדול יותר.
החוקרים, כותבי המאמר למגזין Science, הם פרופסור רועי בֶּר מהמכון לכימיה באוניברסיטה העברית בירושלים, יחד עם תלמידתו אסתר ליפשיץ, הפרופסור דניאל ניוהאוזר, הפרופסור מ' פרדריק הות'ורן, ד"ר ג'פרי א' זינק, ג'וני מ' סקלטון, ד"ר מיכאל ג' באייר וכריס ליאו מאוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס.
פרופ' בר הסביר כי מכונות זעירות כבר קיימות במערכות ביולוגיות טבעיות. לדוגמה, בקטריות מסוימות מצוידות במנוע מולקולרי זעיר מידות המחובר ל"משוט" והמאפשר להן תנועה במים. "חומר הדלק" המניע את המנועים האלה הוא מולקולות עתירות אנרגיה הקיימות בתא החי והמתוכנתות לשחרר את האנרגיה האצורה בהן בעת פירוקן הכימי.
האתגר העומד בפני החוקרים הוא תכנון מכונות מולקולריות מעשה ידי אדם, שאינן מוגבלות בהכרח לתפקוד בתאים חיים, ואשר יהיה אפשר לשלוט בהן ולהניע אותן באמצעות אור או חשמל. פעולה ממונעת מעין זו כבר הושגה בעבר, אולם בצוות האוניברסיטה העברית וב UCLA מציינים כי לראשונה הצליחו להגיע לנעילה של המולקולה. הודות לפעולת הנעילה, כך מאמינים החוקרים, יש אפשרות לגרום למנוע המולקולרי לבצע עבודה מכנית שעד כה לא הושגה כל עוד המנוע לא עצר וננעל במקומו. הדבר עשוי לאפשר שימוש במכונות מולקולריות דוגמת מתגים זעירים או למלא משימות מכניות אחרות.
"מכונות מולקולריות הן עדיין חזון רחוק", אמר פרופ' בר, "אולם ברגע שטכנולוגיה כזאת תהיה נגישה נוכל להרכיב חומרים חדשים ולשלוט בתכונותיהם בדייקנות רבה. מובן שגם נוכל לשלוט בתהליכים העדינים ביותר המתרחשים בתא החי ולהביא לייעול בביצוע ניסויים רפואיים ולטיפול אולטימטיבי".
המולקולה ששימשה את החוקרים מורכבת מארבעה יסודות: בורון, פחמן, ניקל ומימן. הניקל היה המפתח לתהליך, וזאת בשל יכולתו להתקשר בדרכים שונות למולקולות.
המודל שפותח מורכב משני מבנים דמויי כדור, המונחים על ציר אנכי משותף. כאשר הם נחשפים לאור או לזרם חשמלי מסתובב הכדור העליון ביחס לתחתון בזווית של °144. בתום הסיבוב ננעלת המולקולה במצבה החדש.
באמצעות מדידת הבליעה והפיזור של אור מן המולקולה ושימוש בחישובים תיאורטיים מפורטים הצליחו החוקרים ללמוד את אופן הפעולה המדוקדק של המולקולה. עתה מנסים החוקרים למצוא דרך לקַבֵּעַ כדור אחד למשטח מוצק ואת הכדור האחר לחבר באמצעות שרשרת מולקולרית לשסתום הפותח או הסוגר אזורים מסוימים על פני המשטח. חיבור של שתי מולקולות כאלו, או יותר, לאורך ציר הסיבוב המשותף שלהן יאפשר השגה של זוויות סיבוב נוספות (כפולות של °144). (ש)