2016년 노벨화학상 수상자가 오늘 발표되었습니다. "분자 기계의 설계 및 합성을 위해" 세 명의 화학자(Jean-Pierre Sauvage(프랑스), Sir Fraser Stoddart(미국) 및 Bernard Feringa(네덜란드))는 총 5,800만 루블을 받게 됩니다. Life는 분자 기계가 무엇인지, 그리고 그 창조물이 왜 그토록 권위 있는 과학상을 받을 자격이 있는지에 대해 이야기합니다.
이 용어를 가장 일반적으로 이해하는 기계란 무엇입니까? 이는 연료를 "교환"하여 수행할 수 있는 특정 작업에 맞게 맞춤화된 장치입니다. 기계는 어떤 물체든 회전하고, 올리거나 내릴 수 있으며, 심지어 펌프 역할도 할 수 있습니다.
하지만 그러한 기계가 얼마나 작을 수 있습니까? 예를 들어, 시계 메커니즘의 일부 부분은 매우 작아 보입니다. 더 작은 것이 있을 수 있을까요? 네, 물론이죠. 물리적 방법원자 수백 개의 직경을 가진 기어를 절단할 수 있습니다. 이것은 학교 통치자에게 친숙한 1mm보다 수십만 배 더 작습니다. 1984년에 노벨상 수상자 Richard Feynman은 물리학자들에게 움직이는 부품이 있는 메커니즘이 얼마나 작은지 물었습니다.
Feynman은 자연의 사례에서 영감을 얻었습니다. 이러한 작은 유기체가 움직일 수 있도록 하는 박테리아의 편모는 여러 단백질 분자로 구성된 복합체 덕분에 회전합니다. 그런데 사람이 그런 걸 만들 수 있나요?
아마도 단 하나의 분자로 구성된 분자 기계는 공상 과학 소설에 나오는 것처럼 보입니다. 사실 우리는 최근에야 원자를 조작하고(1989년 IBM의 유명한 실험이 발생함) 고정된 단일 분자를 다루는 방법을 배웠습니다. 이를 위해 물리학자들은 거대한 설치물을 만들고 엄청난 노력을 기울입니다. 그럼에도 불구하고 화학자들은 한 번에 500조 개의 그러한 장치를 만드는 방법을 찾았습니다. 2016년 노벨상의 주제가 된 사람이 바로 그 사람이었습니다.
단일 분자로 구성된 기계를 만드는 데있어 주요 문제는 화학 결합. 움직이는 부분을 갖지 못하게 하는 것은 분자의 모든 원자를 함께 묶는 것입니다. 이러한 모순을 해결하기 위해 화학자들은 새로운 유형의 결합, 즉 기계적 결합을 "발명"했습니다.
기계적으로 결합된 분자는 어떻게 생겼나요? 원자가 고리 모양으로 배열되어 있는 큰 분자를 상상해 봅시다. 다른 원자 사슬을 통과시켜 고리로 닫으면 화학 결합을 끊지 않고는 두 개의 고리로 나눌 수 없는 입자를 얻게 됩니다. 화학적 관점에서 볼 때, 이 고리들은 연결되어 있지만, 그들 사이에는 실제 화학적 연결이 없다는 것이 밝혀졌습니다. 그건 그렇고, 이 구조는 라틴어에서 카테난(catenan)이라고 불렸습니다. 사슬- 체인. 그 이름은 그러한 분자가 서로 연결된 사슬의 고리와 같다는 사실을 반영합니다.
프랑스 출신의 수상자 Jean-Pierre Sauvage는 카테난 합성 방법에 대한 획기적인 연구로 주로 상을 받았습니다. 1983년에 한 과학자는 그러한 분자가 어떻게 의도적으로 생산될 수 있는지 알아냈습니다. 그는 카테난을 최초로 합성한 사람은 아니었지만, 그가 제안한 주형 합성 방법은 지금도 현대 연구에서 사용되고 있다.
로탁산(rotaxane)이라 불리는 또 다른 종류의 기계적으로 관련된 화합물이 있습니다. 이러한 화합물의 분자는 원자 사슬이 연결되는 고리로 구성됩니다. 이 체인의 끝에 화학자들은 링이 체인에서 미끄러지는 것을 방지하는 특수 "플러그"를 배치합니다. 올해 또 다른 노벨상 수상자 제임스 프레이저 스토다트(James Fraser Stoddart) 경이 이 문제를 다루었습니다. 그건 그렇고, 스코틀랜드 태생의 Stoddart는 Knight Bachelor라는 칭호를 가지고 있습니다. 그는 유기 합성에 대한 연구로 엘리자베스 2세 여왕으로부터 직접 기사 작위를 받았습니다. 그러나 Stoddart는 현재 미국 Northwestern University에서 일하고 있습니다.
이러한 종류의 화합물에서 개별 조각은 서로에 대해 자유롭게 이동할 수 있습니다. 카테난의 고리는 서로에 대해 자유롭게 회전할 수 있고, 로탁산의 고리는 사슬을 따라 미끄러질 수 있습니다. 이는 파인만이 관심을 갖게 된 분자 기계의 좋은 후보가 됩니다. 그러나 이러한 구조를 그렇게 부르려면 제어 가능성이라는 한 가지를 더 달성해야합니다.
특히 이를 위해 화학자들은 정전기학의 기본 아이디어를 사용했습니다. 고리 중 하나를 충전하고 두 번째 고리(또는 체인)에 외부 영향의 영향으로 전하를 변경할 수 있는 조각을 배치하면 고리를 만들 수 있습니다. 링(또는 체인)의 한 영역에서 반발하고 다른 영역으로 이동합니다. 첫 번째 실험에서 과학자들은 분자 기계가 화학적 영향을 사용하여 유사한 작업을 수행하도록 하는 방법을 배웠습니다. 다음 단계는 동일한 목적을 위해 빛, 전기 충격, 심지어 열을 사용하는 것이었습니다. 이러한 "연료" 전달 방법을 통해 기계 작동 속도를 높일 수 있었습니다.
세 번째 수상자 Bernard Feringa의 작품은 특별히 언급할 가치가 있습니다. 네덜란드 화학자는 기계적으로 결합된 분자 없이도 작업을 수행했습니다. 대신, 과학자는 전통적인 화학 결합을 포함하는 화합물의 분자를 회전시키는 방법을 찾았습니다. 1999년에 페링가는 두 개의 칼날이 서로 연결된 것처럼 보이는 분자를 시연했습니다. 각각의 블레이드는 서로 밀어내려고 했고, 비대칭 모양으로 인해 마치 블레이드 사이의 "축"에 래칫이 있는 것처럼 한 방향으로만 회전하는 것이 유리했습니다.
분자가 회전자처럼 작동하게 하려면 단순히 자외선을 비추는 것만으로도 충분했습니다. 블레이드는 엄격하게 서로에 대해 회전하기 시작했습니다. 주어진 방향. 나중에 화학자들은 그러한 회전자 분자를 거대한(로터 자체에 비해) 입자에 부착하여 회전하게 만들었습니다. 그런데 프리 로터의 회전 속도는 초당 수천만 회전에 도달할 수 있습니다.
이 세 가지 간단한 분자를 사용하여 화학자들은 다양한 분자 기계를 만들 수 있었습니다. 가장 아름다운 예 중 하나는 카테난과 로탁산의 이상한 혼합물인 분자 "근육"입니다. 화학물질(구리염 첨가)에 노출되면 “근육”은 2나노미터만큼 수축됩니다.
분자 기계의 또 다른 변형은 "엘리베이터" 또는 리프트입니다. 이는 로탁산을 기반으로 한 Stoddart 그룹에 의해 2004년에 소개되었습니다. 이 장치를 사용하면 분자 패드를 0.7나노미터까지 올리고 내릴 수 있어 10피코파스칼의 "인지 가능한" 힘을 생성할 수 있습니다.
2011년 페링가는 전기 충격의 영향을 받아 구동할 수 있는 4개의 로터로 구성된 분자 "기계" 개념을 선보였습니다. "나노머신"은 제작되었을 뿐만 아니라 그 기능도 확인되었습니다. 로터가 회전할 때마다 실제로 공간에서 분자의 위치가 약간 변경되었습니다.
이러한 장치는 흥미로워 보이지만 노벨상 수상자를 위한 요구 사항 중 하나는 과학과 인류를 위한 발견의 중요성이라는 점을 기억할 필요가 있습니다. 부분적으로는 "이것이 왜 필요한가?"라는 질문에 대한 것입니다. Bernard Feringa는 수상 소식을 듣고 이렇게 대답했습니다. 화학자에 따르면 이러한 제어된 분자 기계를 사용하면 의료용 나노 로봇을 만드는 것이 가능해집니다. "미래의 의사가 정맥에 삽입하여 암세포를 찾도록 지시할 수 있는 작은 로봇을 상상해 보십시오." 과학자는 라이트 형제가 첫 비행을 마친 후 사람들이 왜 비행 자동차가 필요한지 물었을 때 느꼈을 것과 같은 느낌을 받았다고 지적했습니다.
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2016년 노벨 화학상은 분자 기계의 설계와 합성으로 세 명의 과학자에게 수여되었습니다. 노벨위원회가 발표한 보도자료에 따르면 네덜란드 연구원 버나드 페링가, 미국에서 활동하는 영국인 제임스 프레이저 스토다트, 프랑스인 장 피에르 소바지가 수상자로 선정됐다.
과학자들은 세계에서 가장 작은 기계를 개발할 수 있었습니다. 연구자들은 분자를 서로 연결하여 작은 엘리베이터, 인공 근육 및 미세한 모터를 만들 수 있었습니다. 위원회 웹사이트에는 "2016년 화학 부문 노벨상 수상자들은 기계를 소형화하고 화학을 새로운 차원으로 끌어올렸습니다."라고 나와 있습니다. 보도자료에서는 컴퓨팅 기술의 발전과 함께 기술의 소형화가 혁명으로 이어질 수 있다고 지적했다.
한 과학자 팀이 에너지가 추가될 때 작업을 수행할 수 있는 제어된 움직임을 갖는 분자를 개발했습니다. Sauvage는 1983년에 분자 기계를 만들기 위한 첫 번째 단계를 밟아 카테난이라는 두 개의 고리 모양 분자 사슬을 형성했습니다. 기계가 작업을 수행하려면 서로 상대적으로 움직일 수 있는 부품으로 구성되어야 합니다. Sauvage가 연결한 두 개의 링은 이 요구 사항을 정확하게 충족했습니다.
Stoddart는 1991년에 아령 모양의 분자에 고리가 부착된 화합물인 로탁산(rotaxane)을 합성하는 두 번째 단계를 밟았습니다. 그의 개발 중에는 분자 엘리베이터, 분자 근육 및 분자를 기반으로 만들어진 컴퓨터 칩이 있습니다.
마침내 Feringa는 1999년에 분자 모터의 작동을 시연했습니다.
미래에는 분자 기계가 새로운 재료, 센서 및 에너지 저장 시스템을 만드는 데 사용될 것으로 예상됩니다.
스토다트는 1942년 에든버러에서 태어났습니다. 과학자는 초분자 화학 및 나노기술 분야를 전문으로 하며 미국 일리노이주 노스웨스턴 대학교에서 근무하고 있습니다. 소바쥬는 1944년 파리에서 태어나 다음과 같은 활동을 하고 있다. 과학 활동스트라스부르 대학교에서 그의 전문 분야는 조정 연결입니다. 1951년 네덜란드 Barger-Compascum에서 태어난 Feringa는 교수이다. 유기화학네덜란드 흐로닝언 대학에서.
노벨상의 가치는 800만 스웨덴 크로나이다. 화학상은 1901년부터 수여되었습니다(1916, 1917, 1919, 1924, 1933, 1940, 1941 및 1942 제외). 올해로 이 상은 108번째로 수여되었습니다.
2015년 노벨상화학 분야에서 DNA 복구 메커니즘에 대한 연구로 스웨덴인 Thomas Lindahl, 미국 시민인 Paul Modric 및 터키계 미국인 Aziz Sancar가 수상했습니다. 과학자들의 연구는 살아있는 세포의 기능, 특히 암과 싸우는 새로운 방법에 대한 기초 지식을 전 세계에 제공했다고 노벨위원회는 보고했습니다. 모든 암의 약 80~90%가 DNA 복구 부족으로 인해 발생하는 것으로 추정됩니다.
규정에 따르면 노벨 물리학·화학상은 동료 심사를 받은 언론에 게재된 논문의 저자에게만 수여될 수 있습니다. 또한, 그 발견은 진정으로 중요하고 세계 과학계에서 보편적으로 인정되어야 하며, 이것이 바로 실험주의자가 이론가보다 더 자주 상을 받는 이유입니다.
전날 스톡홀름에서 노벨 물리학상이 수여되었습니다. 미국에서 활동하는 영국 과학자 3명이 이 상을 받았습니다. 영국인 Duncan Haldane과 스코틀랜드계 미국인 David Thouless와 Michael Kosterlitz는 "물질의 위상적 상전이와 위상적 위상에 대한 이론적 발견"으로 상을 받았습니다. 과학자들은 물질의 특이한 상태를 탐구해 왔습니다. 그것은 약초전도체, 초유체, 자기박막에 대해.
2016년 노벨 생리의학상은 지난 10월 3일 일본의 과학자 오스미 요시노리(71)에게 돌아갔다. 그는 세포의 내부 구성 요소가 리소좀(포유류) 또는 액포(효모 세포)로 전달되어 거기에서 저하를 겪었습니다.
2016년 노벨 화학상은 분자 기계 발명으로 스트라스부르 대학의 장 피에르 소바주, 미국 노스웨스턴 대학의 제임스 프레이저 스토다트, 네덜란드 흐로닝언 대학의 버나드 페링가 등 3명의 연구자에게 돌아갔습니다.
“소형 엘리베이터, 근육 및 엔진.
이 과학자들은 에너지가 가해질 때 일을 수행할 수 있는 제어된 움직임을 가진 분자를 만들었습니다.”라고 노벨위원회는 성명에서 말했습니다.
노벨 위원회 위원들은 수상자 발표 중에 분자 기계의 발명을 기계의 발전과 비교했습니다. 초기 XIX이후 핵심 단계 중 하나가 된 전기 모터의 개발을 포함하여 세기 산업 혁명. 몇 분 후, 노벨위원회는 수상자 중 한 명인 Bernard Feringe와 연락을 취했습니다.
“무슨 말을 해야 할지 몰랐습니다. 정말 놀랐습니다.” 페링가는 스웨덴 언론인의 질문에 과학자가 상을 들었을 때 처음 한 말이 무엇이었느냐고 대답했습니다. 화학자는 자신의 팀 및 학생들과 함께 수상을 반드시 축하하겠다고 약속했습니다.
"그것은 큰 충격이었습니다. 나는 그것이 효과가 있다고 거의 믿지 않았습니다." 같은 기자가 최초의 작동하는 분자 기계에 대한 반응에 대해 물었을 때 그는 말했습니다. 화학자는 분자 기계의 개발이 미래의 의사들이 마이크로 로봇을 사용하여 신체의 올바른 위치에 약물을 전달하고 암세포를 검색하는 등의 작업을 수행하는 데 도움이 될 것이라고 설명했습니다. 그는 또한 분자 기계를 만드는 아이디어를 어떻게 생각해 냈는지 이야기했습니다.
Feringhi 분자 기계 모델
nobelprize.org“저는 스위치를 발명하는 것부터 시작했습니다. 우리는 빛을 사용하여 상태 0에서 상태 1로 전환할 수 있는 분자 스위치를 만들고 싶었습니다.
이것이 나노미터 크기의 모터를 만드는 시작이었고, 이를 만들면 이미 운송 및 이동을 위한 추가 메커니즘에 대해 생각할 수 있습니다.”라고 Feringa는 덧붙였습니다.
분자 기계를 만들기 위한 첫 번째 단계는 1983년 Jean-Pierre Sauvage가 두 개의 고리 분자를 결합하여 카테난이라는 사슬을 형성하면서 시작되었습니다.
일반적으로 분자는 강하게 연결되어 있습니다. 공유결합, 원자가 전자를 교환하지만 기계적으로 사슬로 결합되면 결합이 느슨해집니다.
개발의 다음 원동력은 Fraser Stoddart의 로탁산(분자 축과 고리 분자로 구성된 화합물) 개발에 의해 주어졌습니다. 과학자는 이 분자가 축을 따라 움직일 수 있다는 것을 보여주었습니다. 로탁산을 사용하여 Stoddart는 분자 엘리베이터, 분자 근육 및 분자 컴퓨터 칩을 만들었습니다.
Bernard Feringa는 최초로 분자 모터를 개발했습니다. 1999년에 그는 분자 회전날개를 한 방향으로 계속 회전하게 만들었습니다. 그는 분자모터를 사용해 모터 자체보다 1만 배나 큰 유리 실린더를 회전시킬 수 있었고, 나중에는 '나노카'를 설계했다.
분자 모터는 이제 1830년대 전기 모터와 거의 동일한 개발 단계에 있습니다. 당시 과학자들은 레버를 사용하여 회전하는 바퀴를 설계했지만 이것이 전기 열차, 세탁기, 헤어드라이어 및 식품 가공기로 이어질 것이라고는 전혀 몰랐습니다.
분자 모터
nobelprize.org분자 모터는 새로운 재료, 센서 및 에너지 절약 시스템을 만드는 데 사용될 가능성이 높습니다.
Thomson Reuters에 따르면 이전에 화학상의 가장 큰 경쟁자는 CRISPR-Cas9 시스템을 사용하여 마우스와 인간 게놈을 편집한 George Church와 Feng Zhan이었습니다. 처음에는 박테리아의 획득 면역 발달을 담당했던 이 시스템은 유전 공학 작업에 적합한 것으로 밝혀졌습니다.
이 밖에도 모체 혈장에서 세포외 태아 DNA를 검출하는 방법을 개발해 일부 유전질환 진단에 도움이 될 데니스 로(Dennis Law), 고분자 약물의 투과성 증가 및 체류성 증가 효과를 발견한 마에다 히로시(Hiroshi Maeda), 마쓰무라 야스히로(Matsumura) 등이 있다. 수상을 기대할 수 있습니다.
매년 수상자 발표식이 스톡홀름에서 열렸습니다. 노벨 화학상.
2016년 10월 5일, 2016년 노벨 화학상 수상자 이름이 발표되었습니다. 그들은 프랑스인이 되었다 장 피에르 수바쥬(Jean-Pierre Sauvage), 스코틀랜드계 미국인 제임스 프레이저 스토다트(프레이저 스토다트)와 더치맨 버나드 페링가(버나드 페링가).
상품 문구: “ 분자 기계의 설계 및 합성을 위한«.
분자 기계는 단일 원자와 분자를 조작하는 장치입니다. 그들은 그것들을 한 장소에서 다른 장소로 옮길 수 있고, 화학 결합이 형성되도록 더 가까이 가져갈 수도 있고, 화학 결합이 끊어지도록 떼어낼 수도 있습니다. 분자 기계의 크기는 너무 클 수 없습니다. 보통 수 나노미터 정도이다.
유망주 중에는 적용 분야이러한 기계는 분자 수술, 약물의 표적 전달(예: 기존 약물이 거의 침투하지 않는 암 종양 깊숙한 곳), 신체의 무질서한 생화학적 기능 교정에 사용됩니다.
스웨덴 왕립과학원의 보도 자료에 따르면, 분자 기계를 향한 첫 걸음인 교수. 장 피에르 소바쥬 1983년에 그는 두 개의 고리 모양 분자를 성공적으로 연결하여 카테난(catenane)으로 알려진 사슬을 형성했습니다. 분자는 일반적으로 원자가 전자를 공유하는 강한 공유 결합으로 결합되어 있지만, 이 사슬에서는 더 느슨한 기계적 결합으로 연결됩니다. 기계가 작업을 수행하려면 서로 상대적으로 움직일 수 있는 부품으로 구성되어야 합니다. 연결된 두 개의 링은 이 요구 사항을 완전히 충족합니다.
두 번째 단계가 수행되었습니다. 프레이저 스토다트 1991년 로탁산(분자구조의 일종)을 개발했다. 그는 얇은 분자 축에 분자 고리를 끼우고 이 고리가 축을 따라 움직일 수 있음을 보여주었습니다. 로탁산은 분자 엘리베이터, 분자 근육, 분자 기반 컴퓨터 칩과 같은 개발의 기초입니다.
에이 버나드 페링가분자모터를 최초로 개발한 사람이다. 1999년에 그는 한 방향으로 끊임없이 회전하는 분자 로터 블레이드를 얻었습니다. 분자모터를 이용해 모터보다 1만배 큰 유리통을 회전시켰고, 나노카도 개발했다.
2016년 수상자들은 800만 스웨덴 크로나(약 9억 3360만 달러) 상당의 상금을 균등하게 나누어 갖게 됩니다.
최초의 노벨 화학상 1901년에 받은 야콥 헨드릭 반트 호프용액의 화학적 역학 및 삼투압 법칙 발견의 엄청난 중요성을 인식하여 이후 2015년까지 172명이 수상자로 선정됐고, 그 중 4명이 여성이다.
대부분의 경우 노벨 화학상은 해당 분야의 연구로 수여되었습니다. 생화학(50회), 유기화학(43회) 그리고 물리화학(38 회).
2015년 노벨 화학상스웨덴 사람을 받았습니다 토마스 린달, 미국의 Paul Modrich와 터키 출신의 Aziz Sancar는 "DNA 복구에 대한 기계적 연구"를 통해 세포가 손상된 DNA를 복구하고 유전 정보를 보존하는 방법을 분자 수준에서 보여줍니다.
