Твари дрожащие Могут ли микроскопические роботы захватить мир

В среду, 5 октября, объявили лауреатов Нобелевской премии по химии. Троих ученых, Жан-Пьера Саважа (Jean-Pierre Sauvage), сэра Джеймса Фрезера Стоддарта (Fraser Stoddart) и Бернарда Лукаса Ферингу (Bernard L. Feringa), наградили «за разработку и синтез молекулярных машин». «Лента.ру» рассказывает об их работе.

Исследование, удостоенное награды, посвящено методам управления молекулярными машинами. Чтобы микроскопическое устройство приступило к выполнению своих обязанностей, например, совершению определенных действий с помощью вращательного движения или качения, необходимо добавить в систему энергию. Для этого ученые создали молекулярные машины особого типа. Нобелевский комитет решил, что эти миниатюрные «моторчики» могут совершить переворот в науке и привести к возникновению сверхмалых технологий.

Молекулярные машины представляют собой структуры, способные выполнять определенные действия с объектами размером с атом. Проблема в том, что столь малые масштабы накладывают определенные ограничения. К примеру, они «дрожат» от квантовых флуктуаций (случайных отклонений частиц), теплового движения и других факторов, которые снижают точность функционирования. Именно поэтому так важна разработка подобных структур. Особенно если учитывать, что жизнедеятельность организмов основана на работе естественных молекулярных моторов и механизмов.

Первый шаг к созданию молекулярной машины Жан-Пьер Саваж сделал в 1983 году. Ему удалось связать две кольцевые молекулы в одну цепь, называемую катенаном. Особенность этой структуры в том, что молекулы не соединены химически, а вставлены друг в друга. Известно, что некоторые ДНК имеют катенановую структуру, а повышение концентрации таких нуклеиновых кислот в клетке наблюдается при лейкемии и различных формах рака. Механическая связь у катенанов позволяет звеньям относительно свободно перемещаться относительно друг друга.

С тех пор учеными были синтезированы различные типы катенанов, содержащие в себе функциональные блоки — активные химические соединения (например, флуоресцентные молекулы). Некоторые из таких структур были использованы для создания молекулярных переключателей, а также для изготовления электронных устройств и молекулярных датчиков.

Второй шаг сделал Фрезер Стоддарт в 1991 году, создав новый тип ротаксана. К этому классу структур относятся соединения, которые состоят из молекулы гантелевидной формы и циклической молекулы, «надетой» на нее. Фактически ротаксан — это ось с колесом посередине. Стоддарт показал, что «колесо» способно переходить от одного края оси к другой, действуя подобно насосу. Ученый не остановился на достигнутом и разработал различные устройства на основе ротаксанов: молекулярный подъемник, микроскопическую мышцу и даже компьютерный чип.

Бернард Феринга, работающий в университете Гронингена (Нидерланды), первым создал однонаправленный молекулярный мотор. Это произошло в 1999 году. Разработанный им микроскопический винт вращался только в одну сторону. Структура состояла из молекул бис-хелицина, соединенных осью. Один цикл вращения занимал целых четыре этапа, в ходе которых структура последовательно меняла свою геометрию. Процесс начинался с низкой температуры, которая затем повышалась до 20 градусов. Ротаксан за это время совершал полуоборот. Для завершения цикла структуру облучали светом и увеличивали температуру до 60 градусов Цельсия.

Серьезное препятствие для этой реакции — низкая скорость вращения, не сопоставимая с существующими в природе биологическими молекулярными роторами. В наиболее быстрых на сегодняшний день системах с фтор-группами половина термической инверсии спирали молекулы осуществляется за 0,005 секунд. Вращение, как предполагают, можно значительно ускорить за счет большего количества соединений, делающих молекулу менее стабильной.

Принципы работы молекулярного ротора Феринги применили в прототипе наноробота. Устройство с синтетическими хелициновыми двигателями на шасси и четырьмя карбоновыми колесами, как ожидается, сможет двигаться по твердой поверхности под контролем сканирующего туннельного микроскопа. С помощью мотора ученому удалось добиться вращения стеклянного цилиндра, размеры которого превосходили двигатель в десять тысяч раз.

Сейчас молекулярные двигатели находятся примерно на той же стадии развития, что и электродвигатели в начале XIX века. Ученые прошлого демонстрировали работу различных устройств, не предполагая, что их разработки приведут к появлению электропоездов, стиральных машин, вентиляторов и кухонных комбайнов. Однако эксперты по достоинству оценили усилия трех Нобелевских лауреатов по химии 2016 года. Молекулярные машины, скорее всего, найдут применение в разработке новых материалов, датчиков и систем хранения энергии.