ПОДПИСКА НА ВЕБ-САЙТ. ПРЕИМУЩЕСТВА:
Доступ к эксклюзивным статьям на сайте
Приглашение на образовательные лекции и мастер-классы
Возможность просматривать на всех мобильных устройствах и планшетах
Отличная цена: всего 200 тг в месяц!
Нанотехнология будущего будет похожа на инженерию. Молекулы — части молекулярной машины — будут собираться как пазл или детали конструктора.
«Молекулярные инструменты будут связывать молекулы так, чтобы образовывать крошечные двигатели, моторы, рычаги, обшивки, и собирать их в сложные машины», — пишет американский учёный и популяризатор нанотехнологий Эрик Дрекслер в своей книге «Машины создания: грядущая эра нанотехнологии». Разные части молекулярной машины будут выполнять разные функции. Но поверхность наномашины не будет гладкой, она будет бугорчатой, ведь атомы — те же шарики, склеенные вместе, чтобы стать машиной.
Что такое молекулярная машина?
Строго говоря, это любая система, которая способна изменять, передавать, направлять силы для достижения поставленной перед ней цели. Читать далее
В 2016 году случилось революционное событие в мире молекулярных машин: учёные Жан-Пьер Соваж, Фрезер Стоддарт и Бернард Феринга «за дизайн и синтез молекулярных машин» получили Нобелевскую премию по физике (интуиция подсказывает, что ещё не раз «нобелевку» дадут человеку, занимающемуся нанотехнологиями). В своих работах химики-лауреаты пытались сделать компоненты машин, подобных человеческим (таких, которые мы видим вокруг нас), но состоящих из отдельных молекул. Как правило, премию вручают тем, кто внёс вклад в развитие прикладной задачи, но все понимают, что молекулярные машины — очень молодая технология, поэтому приз дали, скорее, за огромные перспективы направления.
«Цепи» Жан-Пьера Соважа
Обычно в химических веществах атомы или молекулы соединены химической связью, поэтому не всегда удаётся достичь лёгкого движения частей относительно друг друга. Лёгкого — как в цепи велосипеда гибко соединены отдельные части. Но можно ли сделать такое же с молекулами? Можно, но для начала нужно научиться делать из разных молекул цепочки. Этим и занимался французский химик Соваж, создав в итоге катенаны. Катенаны — это механически (без химической связи) соединённые, как звенья цепи, молекулы.
Нужно заметить, что Соваж не был пионером в этом деле: просто у других они получались случайно, а ему удалось синтезировать их намеренно. Сначала учёный и его коллеги синтезировали циклическую молекулу, затем — молекулу серповидной формы. Молекула-серп удерживалась от случайных взаимодействий ионом меди (показан на схеме зелёным цветом). Благодаря второму «серпу» цикл замыкался, и получалась цепочка из двух звеньев. После завершения синтеза ион меди удаляли из среды. Этим способом можно синтезировать сколь угодно длинные цепи.
«Лифт» Фрезера Стоддарта
Ротаксаны — класс соединений, состоящих из молекулы гантелевидной формы и надетой на эту «гантель» крупной химической группы. Фрагменты на концах «гантели» не дают циклу «соскочить». Стоддарт тоже не был первооткрывателем этих соединений, ему первому удалось «поставить на поток» процесс их синтеза. Кроме того, учёный с коллегами на основе ротаксанов получил молекулярные лифты. Оказалось, что, изменяя условия среды, можно приводить цикл в движение, свободно перемещать его по линейной части «гантельки», как по рельсам.
«Молекулярный автомобиль» Бернарда Феринга
Бернард Феринга, самый молодой из лауреатов Нобелевской премии, создал способные вращаться части машины, до него долгое время никому не удавалось сделать это. Феринга и его исследовательская группа соорудили четырехколёсный молекулярный автомобиль. Крупные молекулы-«колёса», вращаясь относительно других частей конструкции, «катят» автомобиль по поверхности. Фактически Феринга создал роторы для будущих моторов и доказал, что молекулярная машина при поступлении энергии, в данном случае световой, может совершать полезную работу — «ездить» и даже перевозить грузы в несколько раз тяжелее себя! Как мы крутим педали велосипеда, так свет крутит «колёса» автомобиля Феринга.
Чтобы заставить машину совершать направленное движение, пришлось совершить ряд хитрых операций. Под действием света некоторые жёсткие двойные связи, вокруг которых вращение невозможно, переходят в одинарные, которые позволяют совершать движение. Если освещать автомобиль светом заданной длины волны, то, благодаря переходу двойных связей в одинарные, она будет совершать направленное движение. К сожалению, пока в микроскоп увидеть вращение колеса нельзя, но с помощью косвенных измерений удалось доказать, что колёса всё-таки вертятся.
Понятно, что шестерёнки да винтики — не механизм. Фактически изобретения Нобелевских лауреатов — своего рода детали конструктора. Комбинируя их, можно создать более сложный механизм. Как дальновидно заметили члены Нобелевского комитета:
«Молекулярный двигатель сейчас находится на той же стадии, на которой находился электродвигатель в 1830‑х годах, когда учёные видели вращающиеся рукоятки и колёса, но не знали, что они станут основой электропоездов, стиральных машин, вентиляторов и кухонных комбайнов».