Hi ha gaire espai allà al fons?: les màquines moleculars

Fantàstic, Sr. Feynman: predint les màquines moleculars

Feynman preparava una última sorpresa, el 29 de desembre del 1959: a l'última part de la conferència va introduir un concepte que van desenvolupar Drexler, Freitas i, sobretot, Sauvage, Stoddart i Feringa, que era el concepte de les màquines moleculars.

“Des del punt de vista atòmic, tenim nous tipus de forces i nous tipus de possibilitats, nous tipus d’efectes. Els problemes de fabricació i reproducció de materials seran molt diferents. Estic, com he dit, inspirat pels fenòmens biològics en què les forces químiques s'utilitzen de manera repetitiva per produir tot tipus d'efectes estranys (un dels quals és l'autor)”

“Finalment, podem fer síntesi química. Un químic arriba i ens diu: «Mira, vull una molècula que tingui els àtoms disposats així i així; fes-me aquesta molècula». El químic fa una cosa misteriosa quan vol fer una molècula. Ell veu que té aquest anell, de manera que barreja això i allò, i ho sacseja, i hi juga una mica. I, al final d'un complicat procés, generalment aconsegueix sintetitzar el que vol. Quan aconsegueixi tenir els meus dispositius funcionant, de manera que puguem fer això a través de la física, haurem descobert com sintetitzar absolutament qualsevol cosa”

“…en principi, seria possible (crec) per a un físic sintetitzar qualsevol substància química que el químic descrigui. Doneu les ordres i el físic la sintetitza. Com? Col·loca els àtoms aquí, diu el químic, i fas la substància. Si la nostra habilitat de veure el que estem fent i fer coses a escala atòmica es desenvolupa finalment, es podrà contribuir molt als problemes de la química i la biologia –és un desenvolupament que crec que no es pot evitar–”

Pocs s'imaginaven que al cap d'uns anys algunes de les seves prediccions es farien realitat i naixeria una tecnologia disruptiva cridada a impulsar la revolució industrial del segle XXI, la nanotecnologia. Aquella tecnologia il·luminaria uns increïbles compostos, les màquines moleculars, que són molècules individuals que es comporten de manera molt semblant a les màquines que emprem habitualment en la nostra vida. Com aquestes altres, tenen moviments controlables i realitzen tasques gràcies a l'aportació d'energia; per exemple, petits elevadors que pugen i baixen gràcies a canvis en el pH o motors minúsculs que giren en una direcció quan s'exposen a la llum i a la calor. Els motors i les màquines moleculars són fonamentals per a gairebé tots els processos biològics: la recol·lecció d'energia del sol o fotosíntesi; l'emmagatzematge d'energia; el transport de càrregues al voltant de la cèl·lula; el moviment de les cèl·lules; la generació de força tant a escala molecular com macroscòpica; els processos de replicació, transcripció i traducció de l'ADN; la síntesi de proteïnes, la conducció de sistemes químics lluny d'equilibri, etc.

Les màquines moleculars: un altre pas en l'evolució de la nostra societat

Donat l'èxit de les màquines en la humanitat al món macroscòpic, des de la roda de l'edat de pedra fins als telèfons intel·ligents actuals, era inevitable que un dia ens aventuréssim a explorar la via cap a la miniaturització de màquines. El camí no ha estat gens fàcil i hem necessitat temps i coneixement per obtenir el domini suficient sobre la química sintètica i supramolecular i la física relacionada perquè aquest camp comenci a florir. El seu impacte podria ser tan gran com el del microxip. Actualment, el desenvolupament d'aquestes màquines moleculars es troba en una etapa inicial, però el treball pioner dels químics Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart i Bernard Feringa, pares de les màquines moleculars, tindrà un gran impacte en el futur. Després de concedir-los el premi Nobel de química el 2016 per les màquines moleculars, el comitè d'aquest guardó va afirmar que "en termes de desenvolupament, el motor molecular està en la mateixa etapa en què es trobava el motor elèctric en la dècada del 1830, quan els científics van mostrar diverses bieles i rodes giratòries sense saber que conduirien a motors que s'usarien en rentadores, ventiladors, processadors d'aliments...".

Deu estar de broma, Sr. Feynman: el repte

“Només per diversió, i amb l’objectiu d’aconseguir que els joves s’interessin per aquest camp, proposaria que algú que tingui contacte amb els instituts pensi a fer un tipus de competició escolar. Al cap i a la fi, ni tan sols hem començat, en aquest camp, i fins i tot els joves poden escriure més petit del que mai s’ha escrit abans. Podrien tenir una competició entre instituts. L’institut de Los Angeles podria enviar una agulla a l’institut de Venècia on posés «Què tal?». Els retornarien l’agulla un altre cop i, al punt de l’interrogant, hi posarien, «Bé, podria anar millor»”.

“Potser això no us anima a fer-ho i només els diners ho faran. Aleshores vull fer una cosa, però no puc fer-la ara mateix, perquè no he preparat el terreny. Tinc la intenció d’oferir un premi de 1.000 dòlars a la primera persona que pugui agafar la informació de la pàgina d’un llibre i posar-la en una àrea 1/25.000 cops més petita a escala lineal, de tal manera que es pugui llegir amb un microscopi electrònic”

“I vull oferir un altre premi –si aconsegueixo esbrinar com formular-lo de manera que no em fiqui en un embolic d’arguments sobre la definició dels termes–, també de 1.000 dòlars, a la primera persona que faci un motor elèctric funcional: un motor elèctric rotatiu, que pugui ser controlat des de fora i, sense comptar els cables d’entrada, només tingui una mida d’1/64 polzades cúbiques [0,39 mil·límetres cúbics]”

“No crec que aquests premis tardin gaire temps a ser reclamats”

L'expectativa era correcta, i va haver de pagar els premis sense esperar gaire (un motor quadrat d'1/64 polzades el 1960 i una reducció d'escala d'1/25.000 el 1985). Per una banda, un enginyer, William McLellan, va reclamar el primer premi el 1960: va fer servir tècniques convencionals per construir un motor molt petit. Per l'altra, un estudiant graduat a la Universitat de Stanford va reclamar el segon el 1985, després d'haver escrit el text d'obertura de la novel·la de Charles Dickens Una història de dues ciutats en una pàgina d'1/160 de mil·límetre de longitud, utilitzant litografia amb feix d'electrons.

I com segueix la història de la nanotecnologia?

A mitjans del 70, el professor Taniguchi va pronunciar per primera vegada la paraula nanotecnologia, encara que el veritable pare en aquest sentit va ser Eric Drexler, que, finalitzant els 70 i inspirat per la fantàstica xerrada de Feynman, va començar a fer els primers passos en la recerca nanotecnològica i potser en el naixement de la revolucionària tècnica de la nanorobòtica.

There is plenty of room at the bottom ha aconseguit una importància mítica en les discussions sobre la nanotecnologia. Aquest mite ha estat examinat críticament per Chris Tuomey, que considera que el significat de la conferència s'ha adjuntat retrospectivament, en lloc de remarcar que només els esforços seriosos de diferents personatges van permetre engegar la nanotecnologia. Si que és cert que als americans els agrada bastant apropiar-se de segons quines coses, i és més fàcil vendre la nanotecnologia a partir d'una figura mítica com la de Feynman. La conferència de Feynman no presentava una visió coherent íntegrament, sinó més aviat un conjunt d'idees imaginatives però dispars unides només per la idea de control a petita escala. Encara que alguns han qüestionat el grau en què Feynman va influir en l'inici de la nanotecnologia, es creu que aquesta xerrada va inspirar Eric K. Drexler, a qui molts consideren un dels pioners de la nanotecnologia. Com a estudiant de primer any al MIT el 1974, Drexler va presentar un article sobre els asteroides miners en la primera conferència de Princeton sobre colonització espacial. En aquell moment, va imaginar una carrera com a científic espacial, en què portava a la humanitat els planetes exteriors en embarcacions propulsades per veles solars. Curiós viratge va fer, però, del món de dimensions infinites al món de dimensions minúscules. En els seus primers anys de formació en l'enginyeria genètica al MIT, Drexler va començar a preguntar-se si era possible reproduir mecànicament el que les cèl·lules controlen biològicament: imitar les funcions d'ADN, ribosomes i enzims amb màquines diminutes. Va raonar que potser podria ser capaç de fer el mateix o, fins i tot, més del que fa de manera natural la biologia. Llegint a la biblioteca una nit de novembre del 1979, va trobar una proposta similar de Richard Feynman, el físic àmpliament considerat com una de les ments científiques més grans des d'Albert Einstein. Va llegir entusiasmat l'afirmació de Feynman que “podem arreglar els àtoms de la manera que volem: els àtoms, tot el camí cap avall!”. Això el va inspirar per iniciar els seus estudis en enginyeria molecular i convertir-se en una de les persones més rellevants en la història de la nanotecnologia i, juntament amb Rohrer i Binnig, en un dels pares de la nanotecnologia. Per cert, aquest il·lustre personatge va escriure un dels llibres referents en la història de la nanotecnologia, Engines of creation: The era of nanotechnology, un llibre que actualment estaria considerat trending topic i que va causar un enorme rebombori en el seu moment: va implicar fins i tot el rebuig per part de la comunitat científica dels postulats que plantejava Drexler i va causar el debat més famós que s'ha donat en la història de la nanotecnologia, el debat entre Drexler i el Nobel Smalley, deixeble seu.

Com m'hauria agradat ser-hi, en aquell 29 de desembre del 1959

Sens dubte, els 80 van haver de ser excitants, perquè el 84, Feynman va pronunciar a l'Institut Esalen una ampliació de la xerrada del 59 i la va titular Tiny machines ('Màquines diminutes'). En aquella conferència, es va aferrar al guió del 1959; aquesta xerrada revisada de Feynman mostra els avenços tecnològics s'havien fet des que ell havia exposat la seva visió per a un món nano.

No sé si realment podem considerar Feynman el pare de la nanotecnologia, però sí que hauria estat increïble situar-se realment a l’auditori aquell llunyà 29 de desembre del 59 escoltant els detalls científics tan fascinants que s'hi van descriure, i ser un dels col·legues que va rebre el desafiament de Feynman, no solament per estudiar els àtoms, sinó també per controlar-los; realment hauria estat espectacular.

NOTA: Amb tot això concloc la sèrie de 4 posts (1r, 2n i 3r) sobre la figura de Feynman en la història de la nanotecnologia. Als 4 posts he analitzat una part de la conferència, Feynman va dir moltes més coses, us convido a revisar-la sencera.

Feynman va ser una figura llegendària a la qual des d’Espai Nano (Associació Catalana de Comunicació Científica) retrem homenatge en el centenari del seu naixement –l’11 de maig del 1918– amb moltes activitats. Per cert, seguint l'esperit trencador de Feynman, us convido a revisar un projecte que coordino, Nanoinventum, on nens i nens de primària s'imaginen els nanorobots del futur.