เครื่องจักรโมเลกุล

Thread Content

อะไรคือเครื่องจักรโมเลกุล? ตามที่ศาสตราจารย์หลี จานถิง จากคณะเคมี มหาวิทยาลัยฟู่ดาน อธิบายไว้ กล่าวโดยสรุปแล้ว เครื่องจักรโมเลกุลคืออุปกรณ์ที่ทำงานในระดับโมเลกุล โดยใช้โมเลกุลหนึ่งหรือหลายโมเลกุล ผ่านการเคลื่อนไหวของโมเลกุลเหล่านั้น เพื่อให้เกิดการเคลื่อนไหวของเครื่องจักรในระดับมหภาค ลี จานติงกล่าวว่า อาจารย์ผู้เป็นที่ปรึกษาของผู้ได้รับรางวัลคนแรก คือศาสตราจารย์ฌอง-ปิแอร์ โซวาจ์ นั้น เคยได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1987 จากผลงานด้าน “เคมีของโมเลกุลขนาดใหญ่” สิ่งที่ศาสตราจารย์ฌอง-ปิแอร์ โซวาจ์มีส่วนร่วมครั้งนี้ก็คือการเป็นผู้บุกเบิกการทำงานในด้านการพัฒนาเครื่องจักรระดับโมเลกุลเป็นคนแรก ในปี ค.ศ. 1983 เขาสามารถสร้างโครงสร้างแบบอะตอมิกเซอร์เรียได้ โดยใช้กลไกการจับคู่ของอะตอม ทำให้สามารถเชื่อมโยงโมเลกุลรูปวงแหวนสองตัวเข้าด้วยกัน จนกลายเป็นโซ่หนึ่งเส้น เพื่อให้เครื่องจักรสามารถทำหน้าที่ได้ ส่วนประกอบต่างๆ ของเครื่องจักรจะต้องมีความสามารถในการเคลื่อนที่เมื่ออยู่ร่วมกัน และโมเลกุลรูปวงแหวนทั้งสองนี้ก็เหมาะสมกับข้อกำหนดนี้อย่างดี ที่ปรึกษาด้านวิทยาศาสตร์เคมีและวิศวกรรมโมเลกุล มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีฝูเจี้ยน และสมาชิกของสถาบันวิทยาศาสตร์จีน คือ ฉียน เหอ กล่าวว่า ในปี 1991 นักเคมีชาวอเมริกันชื่อสโตดาร์ตเป็นคนแรกที่เสนอแนวคิดเรื่อง “โมเลกุลสลับ” โดยหมายถึงการนำวงแหวนโมเลกุลขนาดใหญ่มาสวมไว้บนโมเลกุลที่มีรูปร่างเป็นแท่งแข็ง วงแหวนโมเลกุลนี้จะสามารถเคลื่อนที่ไปมาบนแท่งโมเลกุลได้ “เมื่อมีการจ่ายพลังงานเข้าไป ส่วนประกอบต่างๆ ของเครื่องจักรโมเลกุลก็จะเคลื่อนที่เมื่อเทียบกัน เหมือนกับเครื่องจักรทั่วไปที่เราคุ้นเคยกันนั่นแหละ. ผู้ได้รับรางวัลคนที่สาม คือ ศาสตราจารย์เบอร์นาร์ด แอล. เฟอริงกา ผู้เป็นคนแรกที่ค้นพบ “โมเลกุลมอเตอร์” และมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีโมเลกุลมอเตอร์ที่ควบคุมด้วยแสง เทียนเหออธิบายว่า สิ่งที่เฟอร์ลิงกาสังเคราะห์ขึ้นมาคือ “มอเตอร์โมเลกุล” โดยมีฐานที่แน่นอนอยู่ และโมเลกุลที่อยู่บนฐานนั้นจะหมุนได้รอบตัวเอง 360 องศา ซึ่งก็คล้ายกับมอเตอร์กลในโลกแห่งความเป็นจริงนั่นเอง ในปี 1999 เขาได้คิดค้นใบพัดที่สามารถหมุนได้ในระดับโมเลกุล โดยใช้มอเตอร์โมเลกุล เขาสามารถทำให้แก้วที่มีขนาดใหญ่กว่ามอเตอร์ถึง 10,000 เท่าหมุนได้สำเร็จ “นักวิทยาศาสตร์สามคนที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปีนี้ ได้คิดค้นเครื่องจักรระดับโมเลกุลขึ้นมาสามชนิด โดยเครื่องจักรเหล่านี้มีสถานะที่แตกต่างกันออกไป ผลงานอันเป็นนวัตกรรมของพวกเขาทำให้มนุษย์ตระหนักว่า สามารถใช้โมเลกุลเป็นวัสดุในการออกแบบและสร้างเครื่องจักรในโลกขนาดจิ๋วได้ ”เทียนเหอกล่าวว่า. เครื่องจักรโมเลกุลมีความหมายและประโยชน์ในการใช้งานอย่างไร? การเกิดขึ้นของเครื่องจักรโมเลกุลมีความหมายและประโยชน์อะไรบ้าง? เทียนเหอกล่าวว่า กิจกรรมต่างๆ ในสิ่งมีชีวิตนั้น แท้จริงแล้วล้วนขึ้นอยู่กับการทำงานของ “เครื่องจักรระดับโมเลกุล” ทั้งสิ้น นักวิทยาศาสตร์ศึกษากระบวนการต่างๆ ในชีวิต เช่น การแบ่งเซลล์ การทำสำเนาดีเอ็นเอ การขนส่งสาร และการหดตัวของกล้ามเนื้อ เมื่อพิจารณาในระดับโมเลกุลแล้ว ก็พบว่ากระบวนการเหล่านี้ล้วนเป็นผลมาจากการทำงานของเครื่องจักรโมเลกุลจำนวนมาก ดังนั้น นักเคมีจึงสามารถร่วมมือกับนักชีววิทยา เพื่อออกแบบและสังเคราะห์ “เครื่องจักรโมเลกุล” ขึ้นมา เพื่อจำลองปรากฏการณ์ทางชีวิตต่างๆ ได้ เครื่องจักรโมเลกุลยังสามารถนำมาใช้ในการเก็บข้อมูล และสร้าง “คอมพิวเตอร์โมเลกุล” ที่น่าอัศจรรย์ได้อีกด้วย ในปี 2007 สโตดาร์ทได้นำทีมวิจัยพัฒนาชิปโมเลกุลที่สามารถเก็บข้อมูลได้ในความหนาแน่นสูงมาก โดยมีความหนาแน่นในการเก็บข้อมูลเทียบเท่ากับชิปที่ทำจากซิลิคอนในปี 2020 เลยทีเดียว ศาสตราจารย์ชู่ ดาหุย จากคณะวิศวกรรมศาสตร์เคมีและโมเลกุล มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีฝูเจี้ยน อธิบายว่า ความหนาแน่นในการเก็บข้อมูลของชิปที่ทำจากซิลิคอนนั้นอยู่ภายใต้กฎของมัวร์ (กล่าวคือ เมื่อราคาไม่เปลี่ยนแปลง จำนวนชิ้นส่วนที่สามารถบรรจุไว้ในชิปอินทิเกรตด์ รวมถึงประสิทธิภาพของชิปนั้น จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆ 18–24 เดือน) แต่กฎนี้ก็มีข้อจำกัดในการพัฒนา ในขณะที่ชิปโมเลกุลสามารถเก็บข้อมูลในระดับขนาดของโมเลกุลได้ ดังนั้นจึงไม่อยู่ภายใต้กฎของมัวร์ และสามารถมีความหนาแน่นในการเก็บข้อมูลที่สูงกว่าชิปที่ทำจากซิลิคอนได้อย่างมาก คณะกรรมการตัดสินรางวัลโนเบลระบุว่า ในปัจจุบัน เครื่องจักรโมเลกุลยังอยู่ในขั้นตอนของการพัฒนาแนวคิดเท่านั้น แม้ว่า “เครื่องจักรโมเลกุล” จะยังไม่มีการนำไปใช้จริงในปัจจุบัน แต่ในอนาคตมันจะสามารถเปลี่ยนแปลงวิถีชีวิตของมนุษย์ได้อย่างไรบ้าง? มีการระบุว่า มันมีศักยภาพที่จะถูกนำไปใช้ในด้านต่างๆ เช่น การตรวจหาโรคอย่างแม่นยำขึ้น การส่งมอบยา การเก็บข้อมูลในปริมาณมหาศาล การเก็บพลังงาน วัสดุใหม่ๆ และเซ็นเซอร์ โดยมีแนวโน้มว่าจะมีบทบาทสำคัญในหลายด้านอย่างมาก