Avantajele exceptionale ale Transmisiilor Precesionale in contextul dezvoltarii „transmisiilor moleculare“, distinse cu Premiul Nobel pentru Chimie in anul 2016
Data: 16-31 ianuarie 2017
Academia Regală Suedeză de Știință, la 5 octombrie 2016, a acordat, iar la 10 decembrie 2016, la Stockholm, a înmânat Premiul Nobel pentru Chimie cercetătorilor Jean-Pierre SAUVAGE din Franța (Universitatea din Strasbourg), J. Fraser STODDART din SUA (Universitatea Northwestern) și Bernard L. FERINGA din Olanda (Universitatea din Groningen) pentru lucrarea „Proiectarea și sinteza mașinilor moleculare". Evenimentul a pus temelia unei noi epoci în mașinologie datorate cercetărilor la joncțiunea domeniilor chimiei moleculare și mecanicii fine. Cercetările științifice privind dezvoltarea transmisiilor mecanice, motoarelor, dispozitivelor, roboților și mașinilor cu dimensiuni moleculare vor constitui un nou domeniu de cercetare-inovare.
Înalta Comisie Nobel a constatat că, la ora actuală, transmisiile mecanice, motoarele și mașinile moleculare funcționale în mare parte rămân a fi jucării ale imaginației umane, acestea încă nu au putut avea aplicații reale, deoarece ele se construiesc foarte greu, dar și mai dificil este să le forțezi să lucreze. În urma acestei constatări a Comisiei, apare o întrebare retorică: aşadar, pentru ce a fost acordat - în acest caz - Premiul Nobel?!
Trei paşi fundamentali pentru un demers ştiinţific esenţial
Laureații Premiului Nobel au întreprins trei pași fundamentali pentru a face posibilă proiectarea și sinteza mașinilor la scară moleculară. În 1983, J.-P. SAUVAGE a propus unirea a două molecule inelare într-un lanț, atribuindu-le legătura mecanică mai liberă decât în legăturile covalente obișnuite. În 1991, F. STODDART a propus crearea unui cuplu cinematic compus dintr-un ax molecular, pe care se rotește sau se deplasează axial un inel molecular. În 1999, B. FERINGA a propus crearea unui motor molecular compus dintr-un rotor molecular cu mișcare de rotație continuă în aceeași direcție.
Prin aceste invenții, laureații au reușit să revoluționeze structura și funcționalitatea mașinilor, să extindă gama dimensională de la macromașini cu diametrul rulmenților ajuns la 8 metri până la nanomașini de un milion de ori mai mici de un milimetru sau de o mie de ori mai mici decât diametrul unui fir de păr - un debut strălucit al unei noi epoci în domeniul mașinologiei la scară moleculară.
Aidoma exploziei tehnologiilor laser, cu certitudine va urma o explozie a tehnologiilor moleculare bazate pe proiectarea și sinteza mașinilor moleculare. Procesul a început deja. După pasul trei propus de B. FERINGA în 1999, un motor molecular a fost dezvoltat de Christian JOACHIM, profesor invitat la Institute of Materials Research and Engineering din Singapore, care, în 2009, primul în lume și-a dat seama cum să comunice mișcare de rotație controlabilă unei roți dintr-o transmisie mecanică moleculară cu diametrul de 1,2 nm.
Aplicațiile mașinilor moleculare vor revoluționa medicina prin: transportul cu vehicule moleculare al medicamentelor către celulele canceroase; intervenții chirurgicale cu aplicarea roboților moleculari; pătrunderea roboților și a dispozitivelor moleculare în interiorul celulelor umane pentru a le „repara" fără să le afecteze; elaborarea unor noi metode de administrare a medicamentelor etc. În baza transmisiilor, motoarelor și dispozitivelor moleculare se vor dezvolta noi concepte de calculatoare și tehnologii de comunicare, iar în baza mașinilor moleculare dirijate de calculatoare moleculare Chimia stocastică actuală va putea fi substituită cu Chimia algoritmică.
Perspectivele de dezvoltare a mașinilor moleculare sunt imense, domeniile de aplicații sunt incredibile, iar rezultatele la care ne așteptăm sunt fantastice - în acești termeni Comitetul Nobel a apreciat lucrarea „Proiectarea și sinteza mașinilor moleculare".
Evoluţia, similitudinile şi consecinţele a două inovaţii apreciate cu Premiul Nobel
Laserul, urmat de mașinile moleculare, sunt cele mai reprezentative inovații pentru mașinologie, distinse cu Premiul Nobel, care vor continua să revoluționeze progresul tehnico-științific în majoritatea domeniilor de activitate umană. Aceste două mari invenții au parcurs același traseu evolutiv de la imaginația fantastică la aplicații reale. În cazul laserului, perioada de transpunere a imaginației în realitate a demarat cu „Hiperboloidul inginerului Garin" (autor A. N. Tolstoi) publicat în 1927, având în spate principiile de funcționare enunțate în 1916 de Albert EINSTEIN și legea radiației a lui Max PLANCK și s-a finalizat cu decernarea Premiului Nobel pentru dispozitivul laser în 1964.
În cazul mașinilor moleculare, primele lucrări științifice au apărut la începutul anilor 1980, acestea fiind catalogate de către mașinologii timpului drept „imaginații fantasmagorice", iar 1983 poate fi considerat anul de start al cercetărilor de transpunere a fantasticului în realitate.
Laserul și mașinile moleculare au avut nevoie de 34 - 37 de ani pentru a se dezvolta până la invenții demne de Premiul Nobel. Astăzi, la peste 52 de ani de la decernarea Premiului Nobel, constatăm că tehnologiile laser au avut un impact revoluționar asupra progresului tehnico-științific la scară mondială. În următorii 40 - 50 de ani ne putem aștepta la tehnologii revoluționare și în domeniul mașinilor moleculare produse pe picior industrial.
Domeniului dezvoltării transmisiilor moleculare i-au fost consacrate o serie de lucrări, iar la unele dintre ele s-au referit și autorii monografiei „Antologia invențiilor: acad. Ion BOSTAN ș.a.: Transmisii Planetare Precesionale Cinematice; Mini- și nanotransmisii moleculare precesionale", vol. 4, 2011, Chișinău. În cele ce urmează, mă voi referi la transmisiile precesionale moleculare (TPM) și la motoarele precesionale moleculare (MPM) elaborate în cadrul UTM și expuse în monografia menționată.
Ce transmisii pot fi create cu dimensiuni nano? Ce principii noi vor fi elaborate pentru crearea lor? Italianul Vincenzo BALZANI a venit cu o idee provocatoare - de a se ajunge de la transmisiile lui Leonardo da Vinci, fabricate din lemn, la cele moleculare. Ideea a fost continuată de americanul Eric DREXLER, care, începând cu anul 1995, a construit prin modelări computerizate două transmisii cu roți cilindrice în una și în două trepte, după care a urmat o transmisie planetară cu nouă sateliți și un diferențial. În anul 2010, a venit rândul prototipării la nivel molecular și al Transmisiilor Precesionale (TP).
Nano TPM şi Nano MPM 2K-H elaborate la UTM
Proiectarea și sinteza mașinilor moleculare, a transmisiilor, motoarelor și dispozitivelor moleculare constau în modelarea (construirea) computerizată a pieselor acestora după principiul aditiv, aranjând conglomerații de atomi/molecule într-un anumit mod și consecutivitate. În 2010 subsemnatul a elaborat conceptul primei TPM, iar în 2011 - al primului MPM cu un nou principiu de funcționare bazat pe conversia energiei externe (de alimentare) în energie mecanică, care asigură funcționarea motorului. Modelarea computerizată a TPM a fost realizată cu suportul dr. A. SOCHIREANU, iar a MPM - cu suportul dr. M. VACULENCO.
Transmisia precesională moleculară (TPM) 2K-H (publicată în 2011, Antologia invențiilor, vol. 4, pag. 73 - 74), prezentată în figura 1, conține un satelit 1, cu două coroane 2 şi 3 compuse din atomi, câmpurile periferice de interacţiune ale cărora formează suprafeţe înfășurătoare cu profil în arc de cerc, similar din punct de vedere geometric cu cele ale coroanelor satelitului din transmisia precesională obişnuită.
Danturile roţilor centrale 4 şi 5 sunt constituite din atomi amplasaţi în spaţiu astfel încât înfăşurătoarea câmpurilor de interacţiune atomică să formeze suprafeţe imaginare convex-concave congruente cu profilul dinților din transmisia precesională obișnuită.
Principiul de funcționare a nanotransmisiei este similar cu cel al macro-TP. La rotirea arborelui de intrare 6, satelitul 1 va efectua mișcare sfero-spațială în jurul centrului de precesie, amplasat echidistant între coroanele roților centrale 4 și 5. În funcție de numărul de dinți ai roților centrale Z4 și Z5, ai coroanelor satelitului Z2 și Z3 și de coraportul acestora, reducerea mișcării i=Z2 Z5 / (Z3 Z4 - Z2 Z5). Astfel, raportul de reducere în transmisia 2K-H cu un satelit variază în diapazonul ±10 - ±3600, iar în TPM modelată conform structurii cinematice 2K-H complexă cu doi sateliți poate avea un raport de reducere a mișcării de rotație de peste 10 000 000. Evaluând dependența capacității portante de posibilitățile cinematice, putem menționa că o transmisie elicoidală moleculară cu raportul de transmisie i=250, conform creatorilor ei, este capabilă să deplaseze obiecte cu masa de 250 de ori mai mare decât masa proprie.
TPM prezintă interes din următoarele considerente: posibilități excepționale de reducere a mișcării de rotație; mișcarea sfero-spațială a axei satelitului cu unghiul de nutație θ este similară cu mișcarea spinului atomilor; simplitate constructivă cu doar 4 elemente structurale, care pot fi construite din nanotuburi de carbon. În baza TP pot fi construite nanotransmisii într-o gamă de peste 20 de structuri cinematice elaborate la UTM în anii 1980.
Nanomotoreductor precesional molecular (Antologia invențiilor, vol. 2, pag. 74 - 76). Cel mai important avantaj al transmisiilor precesionale îl reprezintă specificul de transformare a mişcării şi sarcinii, şi anume a mişcării sfero-spaţiale a satelitului cu un punct fix. Acest specific al TP facilitează sinteza motoarelor precesionale moleculare bazându-ne pe un alt principiu decât cel propus în 1999 de B. FERINGA (identificat de către laureați ca pasul trei al inovaţiilor) sau decât cel realizat în 2009 de către Ch. JOACHIM.
Principiul nou propus pentru a impune transmisiilor precesionale moleculare „să lucreze" în calitate de motor molecular a fost descris în Antologia invenţiilor şi constă în antrenarea satelitului precesional într-o mişcare sfero-spaţială cu un punct fix prin expunerea satelitului la o sursă externă de energie rotativă cu o anumită frecvenţă de rotaţie.
În acest scop, nanomotoreductorul este conceput dintr-un satelit 1 (figura 2) cu două coroane de dinţi Z2 și Z3, cu geometria angrenajelor similară celei din transmisia prezentată în figura 1.
De corpul satelitului 1 fixăm imobil o conglomerație de atomi ionizaţi amplasați în spaţiul trunchiului de con abcd, receptivi la acţiunea din exterior, spre exemplu, a unui câmp electrostatic rotativ, a unui câmp electromagnetic sau de radiaţie etc. Acţiunea sursei energetice exterioare rotative asupra atomilor ionizaţi cu viteza unghiulară ω0=ωs antrenează satelitul în mişcare sfero-spaţială, rotindu-l în jurul propriei axe O›O› cu viteza unghiulară: ω1=ωs·(Z4-Z2)/Z2.
Așadar, principiul de funcționare a nanomotoreductorului precesional 2K-H, prezentat în figura 3, se bazează pe acțiunea sursei de energie externă rotativă asupra conglomeratului de atomi ionizați amplasați în trunchiul de con 6, comunicându-i acestuia mişcare rotativă diurnă cu unghiul de nutaţie θ, iar satelitului 1 - mişcare sfero-spaţială cu un punct fix. Unghiul de nutaţie θ (figura 2) a mişcării sfero-spaţiale a satelitului 1 poate varia 1o<θ<(15÷20o) şi se selectează în funcţie de aceiaşi parametri geometrici (δ, β, θ, Z4, (Z5), Z2(3)=Z4(5)±1) ai angrenajelor precesionale obişnuite. Deci, particularităţile constructiv-cinematice şi principiul specific de transformare a mişcării în TP asigură comasarea funcţiilor de motor şi de reductor într-o singură construcţie - nanomotoreductorul precesional. Această oportunitate de comasare a funcțiilor o considerăm ca un avantaj excepțional al TP.
Acest specific al TP facilitează sintetizarea motoarelor precesionale moleculare cu mișcări controlabile bazându-ne pe un alt principiu decât cel propus în 1999 de FERINGA sau cel realizat în 2009 de JOACHIM.
Un alt avantaj deosebit al TP care facilitează sinteza TPM cu mișcări controlabile constă în amplasarea laterală a angrenajelor precesionale, astfel încât profilul înfășurătoarei câmpurilor grupurilor de atomi (molecule) ce formează dinții satelitului să descrie arcuri de cercuri, iar înfășurătoarea dinților roților centrale - curbe convex-concave congruente cu profilurile dinților din macrotransmisiile precesionale. Danturile roților sau ale sateliților cu bolțuri din TPM sunt înlocuite cu dinți cu profil continuu în formă de arc de cerc, simplitate datorată faptului că în angrenajele precesionale moleculare lipsesc forțele de frecare. Schimbând numărul dinților (grupurilor de atomi), putem schimba substanțial raportul de transmitere, inclusiv direcția mișcării de rotație controlabilă.
În comparație cu alte transmisii clasice, TP posedă o varietate extinsă de structuri cinematice, care pot să răspundă diferitelor solicitări ale cercetătorilor-proiectanți de mașini moleculare. De exemplu, structurile cinematice K-H-V sunt construite dintr-un satelit precesional angrenat cu o roată centrală și, suplimentar, cu un mecanism de preluare de la satelit și transmitere către arborele condus al mișcării de rotație controlabilă. Aceste transmisii lucrează atât în regim de reducere, cât și de multiplicare a mișcării de rotație. Există structuri cinematice ce pot fi utilizate la elaborarea vehiculului molecular pentru transportarea medicamentelor către celulele cancerigene, asigurând separarea spațiilor ermetice vacuumate pentru a nu afecta celulele umane sănătoase.
Un alt avantaj al TP realizat prin structura cinematică 2K-H complexă, neîntâlnit în alte transmisii clasice, constă în posibilitatea de a realiza raporturi de transmisie foarte mari (până la zeci de milioane) și, respectiv, momente de torsiune de zeci de milioane de ori mai mari la ieșire decât la intrarea în TPM. Totodată, în TPM, viteza unghiulară la intrare poate fi de ordinul zecilor de mii de rot/sec.
Astfel, în 1999, FERINGA a elaborat un motor molecular alimentat cu „combustibil" în forma unei raze de lumină, care a dezvoltat un moment de torsiune capabil să transporte un tub din sticlă cu masa de 10 000 de ori mai mare decât însăși masa motorului molecular, iar în 2014 a demonstrat un motor molecular capabil să dezvolte la arborele de intrare o frecvență de rotație egală cu n1 = 12 000 000 rot/sec. Pentru comparație, într-o macrotransmisie antrenată de un motor electric, arborele de intrare de regulă are 3000 rot/min. sau 314 rot/sec. Aplicând pentru motorul precesional molecular aceeași abordare a randamentului ca și în macromecanisme, putem estima cu mare aproximare puterea aplicată la arborele condus al acestuia sau eficiența conversiei energiei solare (cu care se alimentează nanomotorul molecular) direct în energie mecanică.
Pornind de la afirmațiile lui FERINGA privind valorile foarte înalte ale rotațiilor arborelui motorului molecular experimentat în 2014, apare necesitatea de a reduce substanțial viteza unghiulară transmisă către mașina moleculară. Acest obiectiv poate fi realizat prin cuplarea motorului cu o TPM cu un raport de transmisie de până la milioane de ori reducere a mișcării. Astfel, putem obține momente de torsiune la arborele condus cu valori incredibil de mari. Totodată, putem converti energia solară care alimentează lucrul motorului molecular direct în energie mecanică, via energia electrică - de asemenea, o realizare de pionierat.
Principalul impediment în dezvoltarea tehnologiilor moleculare la ora actuală constă în neputința inginerilor de a elabora și fabrica asamblorii moleculari - viitorii constructori de mașini moleculare. Cu certitudine, odată cu invenția și fabricarea asamblorilor pentru sinteza mașinilor, motoarelor și transmisiilor mecanice moleculare „atom cu atom" sau „moleculă cu moleculă", se va produce o explozie a mașinăriei moleculare, care va stimula dezvoltarea industriei moleculare pe plan mondial.