מכונה מולקולרית

מכונה מולקולרית או מכונה ננומטרית, היא מכונה שמורכבת ממספר רכיבים מולקולריים המייצרים תנועות מכניות (פלט) כתגובה לגירויים מסוימים (קלט). לעיתים קרובות מכונות מולקולריות מחקות פעולות של מכונות בקנה מידה מאקרוסקופי. המונח "מכונה מולקולרית" משתייך גם לתחום הננוטכנולוגיה בו מספר גדול של מכונות מולקולריות מלאכותיות מורכבות למטרת בניית מכונה גדולה יותר, בעלת פונקציה ספציפית של הכוונת תגובות כימיות למיקום מסוים ברמת דיוק גבוהה.
את המכונות המולקולריות ניתן לחלק לשתי קטגוריות רחבות: מלאכותיות וביולוגיות (טבעיות).

רקע

קיימות שתי גישות המבוססות על ניסויים מחשבתיים אשר מהוות את בסיסן של המכונות המולקולריות. הגישה הראשונה מבוססת על "השד של מקסוול" והשנייה של ריצ'רד פיינמן המבוססת על "גלגל השיניים של בראון".
בגישה של פיינמן, דמיינו מערכת קטנה מאוד אשר מכילה שני גלגלי שיניים (T1 ,T2) כמתוארת באיור. שני גלגלי השיניים נמצאים בטמפרטורות שונות זו מזו בסביבה גזית. כמו כן הם מחוברים ביניהם על ידי ציר מקשר. באחד הגלגלים (T2) ישנה שן (Pawl) המאפשרת לגלגל השיניים לנוע אך ורק בכיוון השעון, וכשתנועה זו מתקיימת הוא מסוגל להרים משקל (m) במעלה הציר. כעת דמיינו מצב שבו גלגל השיניים השני נמצא בטמפרטורה גבוהה יותר מזו שנמצא בה T2; ניתן לצפות שבזכות האנרגיה הקינטית של מולקולות הגז (עיגולים אדומים) שנמצאות בטמפרטורה הגבוהה יזוז גלגל השיניים ב-T1 מהר יותר מהגלגל שב-T2. ולכן בגלל אנרגיה קינטית נמוכה שקיימת ב-T2 תהיה התנגדות נמוכה של מולקולות הגז לסיבוב הציר. עם הזמן תיווצר הרמה של המשקל (m) על ידי גלגל השיניים ב-T1. כלומר נוצר מנוע שמקור האנרגיה שלו הוא אנרגיית חום.
כמו שמתואר, מערכת זו נראית כמו מכונה בתנועה מתמדת; המרכיב העיקרי שגורם לזה הוא שמירה על חום המערכת. גלגל שיניים זה אינו מהווה סתירה לחוק השני של התרמודינמיקה, משום ששליטה מתמדת בטמפרטורה של המערכות מחייבת תוספת של אנרגיה חיצונית למערכת. 
תנועה זו של מולקולות הגז נקראת תנועה בראונית (תנועה אקראית של חלקיקים) ותנועה זו מקנה את כוחה של המערכת. כמו כן, שינוי הטמפרטורה מאפשר את יציאתה משיווי המשקל. בגישה זו, תנועות ברואוניות אינן באות כניגוד למערכת, אלא ההפך, באות לעזרתה. גרדיאנט הטמפרטורה אינו יכול להישמר לאורך מרחקים מולקולריים, בשל הויברציות (רטט) של אטומי המולקולות המאפשרים לפזר את האנרגיה למרחקים מולקולריים.
שלא כמו תנועות מקרוסקופיות, מערכות מולקולריות נמצאות בתנועה מתמדת, בכפוף לחוק המכניקה הבראונית, וכמו כן, ניצול פעולה מולקולרית הוא תהליך יותר מורכב. מכונות בקנה מידה מאקרוסקופי, פועלות בסביבה של גז (אוויר) לעיתיים קרובות מולקולות האוויר מוזנחות, כי הם חסרות משמעות בגודלן, לעומת מערכות מולקולריות שנמצאות בסביבה בראונית פעולת כל מולקולה בסביבה משמעותית לפעולתם. תנועה של מכונה מולקולרית בסביבה של אוויר דומה "להליכה בהוריקן או שחייה בדבש".
התופעה של תנועות בראוניות הוסברה ב-1905 על ידי אלברט איינשטיין. איינשטיין גילה כי תנועה בראונית היא תוצאה של קנה מידה הנמדד ולא קשור לאופי הסביבה. כל עוד אנרגיה תרמית חלה על מולקולה, תתקיים תנועה בראונית עם האנרגיה הקינטית המתאימה לטמפרטורה זו. לכן, כמו גישתו זו של ריצ'רד פיינמן, בעת תכנון מכונה מולקולרית, נראה הגיוני לנצל את התנועה הבראונית, במקום לנסות להילחם נגדה.
כמו מכונות מקרוסקופיות, במכונות המולקולריות ישנם חלקים ניידים. למרות זאת, בזמן שמכונות מקרוסקופיות יכולות לספק השראה עבור יצירת מכונות מולקולריות, תהיה זו טעות להשוות בין אסטרטגיות השימוש, בשל השוני בקנה המידה אשר לא מאפשר השוואה. ניצול של תנועה בראונית ברמה המולקולרית עובד על-פי החוק השני של התרמודינמיקה, אך לעיתים אינו מסתדר עם האינטואיציה שלנו, ולכן צריך יותר השראה.
בכל זאת זה מאתגר לנצל את התנועה הבראונית לטובתנו. בטבע אפשר למצוא תוכניות עבור תנועות מולקולריות לביצוע עבודה יעילה. הוא יצר מבנים שימושיים רבים עבור מערכות מולקולריות, כגון קרום התא בו מחסומים ליפופיליים עושים שימוש במספר מנגנונים לבצע תנועה מתא אחד למשנהו.

דוגמאות למכונות מולקולריות

מנקודת המבט המלאכותית, קיימים שני סוגים חשובים של מכונות מולקולריות: מתגים מולקולריים (Molecular switch) ומנועים מולקולריים. ההבדל המרכזי ביניהם הוא שמתג משפיע על המערכת באופן בינארי, בדיד ומשנה בין מצב למצב, לעומת מנוע המשפיע על המערכת באופן רציף. בהפעלת מתג גורמים לתנועה במערכת, בסגירתו ביטלנו כל השפעה שלו על המערכת. בנוסף, מתגים אינם יכולים להשתמש באנרגיה כימית בצורה קבועה ומתמשכת לעומת מנוע שכן יכול.

ביולוגית

המכונות המולקולריות המסובכות ביותר נמצאות בתוך תאים. הן כוללות חלבונים מניעים (המסוגלים לנוע על פני משטחים), כגון מיוזין, האחראי על כיווץ השריר, קינזין, המוביל מטען אל תוך התא הרחק מהגרעין לאורך המיקרוטובולין, ודיאנין, שמבצע את תנועות השוטונים בשלבי התפתחות תאים. חלבונים אלו נמצאים בקנה מידה ננומטרי ומבצעים פעולות מסובכות הרבה יותר מכל מכונה מולקולרית שיוצרה.
בניה של מכונות מורכבות יותר דורשת מחקר תאורטי רב. מולקולות מסוימות, כגון מדחפים, עוצבו, אבל עוד דרושים מחקרים רבים עבור מימוש ניסויים מחקריים על מנת ליצור שיטות לבניית המולקולות. מכונות מסובכות ומולקולריות אלו הן הבסיס לשדה הננוטכנטולוגי.