Группа ученых-химиков из университета Райс (Rice University), возглавляемая Джеймсом Туром (James Tour), создала микроскопическую «субмарину», которая представляет собой единую молекулу, состоящую из 244 атомов различных химических элементов. Каждый оборот «пропеллера» этой молекулы-субмарины передвигает ее на расстояние в 18 нанометров, но ее двигатели, получающие энергию от энергии ультрафиолетового света, вращаются со скоростью более чем миллиона оборотов в минуту. И за счет такой высокой скорости вращения молекула-субмарина может перемещаться в жидкой среде с головокружительной для молекулярных масштабов скоростью, которая составляет около 1 дюйма (2.54 сантиметра) в секунду.
Данная работа является демонстрацией того, что некоторые типы молекулярных двигателей имеют мощность, достаточную для перемещения 10-нанометровых объектов в жидкой среде, молекулы которой сопоставимы по размерам с размерами молекулы-субмарины. «Наша молекула движется в жидкости с самой большой скоростью, которую способны развивать молекулы» — рассказывает Джеймс Тур, — «И перемещение в жидкой среде является весьма непростым делом. Представьте себе человека, идущего через баскетбольную площадку, на которой находится еще тысяча человек и каждый из них норовит бросить в него мяч или просто толкнуть ходока».
Следует отметить, что исследователи из лаборатории Джеймса Тура уже имеют достаточно богатый опыт в деле создания молекулярных двигателей. В свое время мы рассказывали о четырехколесном наноавтомобиле, нанокаре с независимой подвеской, который мог перемещаться по поверхности с относительно высокой скоростью. «Мы задумали идею создания молекулярного двигателя, работающего на ультрафиолетовом свете еще в 2009 году» — рассказывает Джеймс Тур, — «Но только некоторые из последних достижений в области химии и физики позволили нам воплотить эту идею в жизнь, ведь процесс синтеза молекулы-субмарины весьма и весьма сложен, он проводится за 20 различных этапов».
Нанокар и молекула-субмарина являются далеко не единственными микроскопическими машинами с молекулярными двигателями. Подобные разработки были выполнены и другими группами ученых, но в большинстве случаев энергия для работы двигателей этих молекулярных машин черпается из энергии химических реакций, в которых задействованы активные и токсичные химические компоненты.
Двигатель, толкающий молекулу-субмарину вперед, действует подобно жгутику у некоторых видов микроорганизмов. Каждый оборот этого двигателя выполняется за четыре шага. Когда молекула возбуждается высокоэнергетическим ультрафиолетовым светом, двойная химическая связь, которая скрепляет ротор двигателя с телом основной молекулы, меняет свою конфигурацию, перемещаясь на четверть оборота. Поскольку молекула всегда стремится занять самое низкоэнергетическое состояние, двигатель «по инерции» проскакивает еще на четверть оборота. И этот процесс продолжается до бесконечности пока молекулу освещает свет достаточной интенсивности.
Для проведения исследований ученые из лаборатории Джеймса Тура создали ряд различных молекул-субмарин. Одни молекулы были снабжены медленными двигателями, другие — реверсивными, способными вращаться в противоположных направлениях. А для отслеживания перемещений молекул в них были введены элементы флуоресцентного красителя, который светился красным светом при освещении его лучом лазера.
«Впереди у нас еще много работы» — рассказывает Джеймс Тур, — «Сейчас мы просто доказали работоспособность наших идей. Теперь мы должны продолжить исследования возможностей таких молекул и областей их применения. А применить их можно будет в медицине, в биологических исследованиях и во многих других областях науки и техники».
Источник:
