Polscy naukowcy współtworzą silniki molekularne działające w świetle słonecznym

Badania nad silnikami molekularnymi napędzanymi światłem słonecznym przeprowadził międzynarodowy zespół naukowców z udziałem dr. inż. Wojciecha Danowskiego z Uniwersytetu Warszawskiego. Wyniki zostały opublikowane w 2026 roku w „Journal of the American Chemical Society”.

– Silnik to maszyna, która zamienia energię chemiczną zawartą w mieszance paliwowo-powietrznej na jednokierunkowy, ciągły obrót wału korbowego. Silniki molekularne działają w sposób analogiczny – zamieniają jakąś formę energii na jednokierunkowy obrót jednej części cząsteczki względem drugiej – mówi agencji Newseria dr inż. Wojciech Danowski, adiunkt na Wydziale Chemii UW.

Chemicy tworzą syntetyczne odpowiedniki biologicznych maszyn molekularnych występujących w komórkach żywych organizmów. To wielkobiałkowe kompleksy lub białka, które w komórkach wykonują jakąś określoną pracę. Przykładowo syntaza ATP to kompleks białek, który kręci się tylko w jedną stronę – ta mechaniczna praca zamieniana jest w energię chemiczną. Inny przykład motoru molekularnego to białka kroczące, które transportują ładunki wewnątrz komórek.

^{dr inż. Wojciech Danowski, adiunkt na Wydziale Chemii UW}

Czytaj również: Dyplom już nie wystarcza – rośnie zastępowalność pracowników, maleją premie za edukację

W syntetycznych odpowiednikach to światło może wprawiać silniki molekularne w ruch, a ich działanie można precyzyjnie regulować przez odpowiednie zaprojektowanie struktury chemicznej cząsteczki.

– W naszej ostatniej pracy skonstruowaliśmy silnik molekularny, który napędzany jest światłem słonecznym. Zamiast wykorzystywać laboratoryjne źródło światła, czyli np. diodę luminescencyjną albo laser, które charakteryzują się dużą energią i dużą intensywnością światła, a jednocześnie bardzo wąskim zakresem widmowym, tzn. jedną konkretną długością fali, nasz silnik molekularny może wykorzystywać do swojej pracy światło słoneczne, które charakteryzuje się bardzo niską intensywnością, a także bardzo szerokim zakresem długości fal – wyjaśnia dr inż. Wojciech Danowski.

Badania nad syntetycznymi maszynami molekularnymi zostały w 2016 roku uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii. Otrzymali ją Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart i Bernard L. Feringa. Jednym z kierunków rozwoju tej technologii jest wykorzystanie światła widzialnego zamiast stosowanego dotychczas promieniowania UV.

– Wykorzystanie światła widzialnego jest bardzo ważne, ponieważ jest to wszechobecne źródło taniej i dostępnej energii. Tym się różni  od światła wykorzystywanego w laboratorium – dodaje badacz.

Silniki opracowane przez zespół z udziałem Wojciecha Danowskiego działają w naturalnym świetle słonecznym, także po umieszczeniu w matrycy polimerowej. Wydajność procesu fotochemicznego odpowiedzialnego za zmianę struktury cząsteczki sięgała ok. 80 proc. i utrzymywała się na podobnym poziomie zarówno w roztworze, jak i w polimerze. Takie cząsteczki mogą w przyszłości wykonywać pracę mechaniczną, np. rozciąganie, kurczenie czy zmianę kształtu.

– To odkrycie ma dość spore potencjalne zastosowania w przyszłości, m.in. w konstrukcji inteligentnych materiałów, które będą zmieniały swoje właściwości pod wpływem światła. Mogą to być np. materiały porowate, które w ciemności będą pochłaniały gaz albo wodę, natomiast pod wpływem światła słonecznego będą je uwalniały – wskazuje badacz.

To oznacza, że silniki molekularne mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie w materiałach reagujących na światło. Przykładowo po wystawieniu na słońce tkaniny mogłyby zmieniać strukturę, aby ułatwić usuwanie zabrudzeń albo odpychać kurz i wodę, a karoseria aut po to, by usuwać niewielkie zarysowania. Szyby mogłyby automatycznie zmieniać przezroczystość lub ilość przepuszczanego ciepła, co pozwalałoby ograniczyć zużycie energii na klimatyzację. Innym kierunkiem jest miękka robotyka: polimerowa folia zawierająca silniki molekularne mogłaby pod wpływem światła się zwijać, wyginać lub przybierać zaprogramowany kształt.

Silniki molekularne mogą znaleźć zastosowanie także w materiałach do wychwytywania gazów, w tym dwutlenku węgla. W takim układzie porowaty materiał pochłaniałby dwutlenek węgla z powietrza, a napędzane światłem silniki molekularne umożliwiałyby jego późniejsze uwolnienie. 

– Możemy sobie wyobrazić taki materiał porowaty jako gąbkę, w której pory są na tyle małe, że są zdolne do selektywnego wychwytywania określonych gazów z powietrza. Taki materiał wystawiony na światło słoneczne dzięki napędzeniu ruchu wbudowanych w niego motorów molekularnych uwalniałby zmagazynowany gaz w celu jego dalszego zmagazynowania albo wykorzystania w innych procesach chemicznych – mówi dr inż. Wojciech Danowski.

Jak podkreśla, dziś głównym wyzwaniem w wychwytywaniu dwutlenku węgla z powietrza jest regeneracja adsorbentu, czyli uwolnienie zgromadzonego gazu i przygotowanie materiału do ponownego użycia. Według naukowca z UW może to pochłaniać ok. 40 proc. energii zużywanej w całym procesie. Wykorzystanie do regeneracji światła słonecznego mogłoby zmniejszyć zapotrzebowanie na energię z innych źródeł.

Naukowcy badają również możliwość wykorzystania maszyn molekularnych do transportu i kontrolowanego uwalniania leków w organizmie.

– Wyobraźmy sobie, że mamy nowotwór w konkretnym miejscu i chcielibyśmy dostarczyć właśnie tam cząsteczkę leku, chemoterapeutyku po to, żeby nie zatruwać całego organizmu, tylko konkretne, chore miejsce. Skoro mamy cząsteczkę, która jest w stanie wykonywać obrót jednokierunkowy jednej cząsteczki względem drugiej, możemy sobie wyobrazić, że taka cząsteczka mogłaby transportować cząsteczkę leku poprzez nasz organizm, skomplikowaną arterię żył i tętnic, w określone miejsce, które możemy wybrać za pomocą światła – wskazuje adiunkt na Wydziale Chemii UW.

Zanim takie rozwiązania będzie można wykorzystać w medycynie, naukowcy muszą m.in. znaleźć sposób na precyzyjne sterowanie maszynami molekularnymi w organizmie, zapewnić ich biokompatybilność i opracować metody produkcji na większą skalę.

– Od praktycznych zastosowań jesteśmy niestety jeszcze dość daleko. Horyzont czasowy, o którym mówimy, to około 10, 15, a nawet 20 lat. Wynika to z faktu, że synteza silników molekularnych jest wciąż dość trudna i wymagająca. Nie jesteśmy też w stanie amplifikować ruchu pojedynczych cząsteczek aż do makroskali, czyli nie jesteśmy w stanie zrobić tego, co robi matka natura, która amplifikuje ruch biologicznych maszyn molekularnych np. w naszych mięśniach albo komórkach – podkreśla dr inż. Wojciech Danowski.

Czytaj również: Międzynarodowa współpraca napędza naukę. Nagroda Copernicus 2026 dla polsko‑niemieckiego duetu matematyków

Na razie są to przede wszystkim badania podstawowe. Naukowcy próbują zwiększyć wydajność silników molekularnych, rozszerzyć zakres światła widzialnego, które może je napędzać, i obniżyć koszty ich produkcji.

– Głównym elementem ograniczającym zastosowanie tej technologii w przyszłości jest cena wytworzenia takiego silnika molekularnego. Na razie jest bardzo wysoka, ale mamy nadzieję, że w przyszłości uda się opracować lepsze metody pozwalające na wytwarzanie silników w dużej skali. Kolejnym elementem, który ogranicza ich potencjalne zastosowania w rzeczywistym świecie, jest wydajność ich pracy, która jak na razie jest niewielka. Mam jednak nadzieję, że w przyszłości będziemy w stanie osiągnąć większą wydajność konwersji światła na ruch mechaniczny – podkreśla ekspert.