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.
Пресс-конференция Нобелевского комитета
Фото: TT News Agency / Henrik Montgomery / Reuters
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.
Изображение: Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Scienсes
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.
Изображение: Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Scienсes
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.