будущее есть!
  • После
  • Конспект
  • Документ недели
  • Бутовский полигон
  • Колонки
  • Pro Science
  • Все рубрики
    После Конспект Документ недели Бутовский полигон Колонки Pro Science Публичные лекции Медленное чтение Кино Афиша
После Конспект Документ недели Бутовский полигон Колонки Pro Science Публичные лекции Медленное чтение Кино Афиша

Конспекты Полит.ру

Смотреть все
Алексей Макаркин — о выборах 1996 года
Апрель 26, 2024
Николай Эппле — о речи Пашиняна по случаю годовщины геноцида армян
Апрель 26, 2024
«Демография упала» — о демографической политике в России
Апрель 26, 2024
Артем Соколов — о технологическом будущем в военных действиях
Апрель 26, 2024
Анатолий Несмиян — о технологическом будущем в военных действиях
Апрель 26, 2024

После

Смотреть все
«После» для майских
Май 7, 2024

Публичные лекции

Смотреть все
Всеволод Емелин в «Клубе»: мои первые книжки
Апрель 29, 2024
Вернуться к публикациям
нанотехнологии химия Нобелевская премия
Октябрь 5, 2016
Pro Science
Руссо Максим

Молекулы-лифты, молекулы-автомобили и другие чудесные машины

Молекулы-лифты, молекулы-автомобили и другие чудесные машины
ps_Ct_p2E-XgAAYUmm
Лауреаты Нобелевской премии по химии 2016. Источник: Илл.: N. Elmehed/2016 Nobel Prize

Нобелевскую премию за исследования в области химии в 2016 году получат Жан-Пьер Соваж (Jean-Pierre Sauvage) из Страсбургского университета, Фрейзер Стоддарт (Sir J. Fraser Stoddart) из Северо-Западного университета в Иллинойсе и Бернард Л. Феринга (Bernard Lucas Feringa) из Гронингенского университета. Премия им присуждена «за проектирование и синтез молекулярных машин».

Фактически эти ученые сумели создать молекулы, которые при наличии источника энергии способны совершать управляемые движения, то есть производить работу. Задолго до ученых молекулярные машины создала природа. Живая клетка – огромный комплекс молекулярных машин, выполняющих самые разные функции. Процессы клеточного метаболизма, передача генетической информации – все это контролируется множеством белковых молекул, которые мы называем ферментами.

Возможность создания искусственных наномашин предсказал в 1959 году знаменитый физик Ричард Фейнман, заявивший на ежегодном заседании Американского физического обшества: «Принципы физики не отвергают возможности маневрирования объектами на атомном уровне» («The principles of physics do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom»). В 1986 году появилась знаменитая книга инженера и футуролога, «отца нанотехнологий» Эрика Дрекслера «Машины созидания», где предсказывалось создание наноробота-«сборщика», который будет манипулировать с объектами на уровне отдельных молекул и атомов.

Первым шагом к созданию искусственных молекулярных машин стал синтез Жаном-Пьером Соважем в 1983 году молекулы из класса катенанов (от лат. catena «цепь»). Такие молекулы представляют собой два сцепленных кольца, таким образом связь двух частей молекулы у них происходит не за счет притяжения разных электрических зарядов и не за счет образования общей электронной пары двух атомов, а чисто механически, подобно двум соседним кольцам цепи. Такой тип связи оставляет значительно больше степеней свободы в движениях двум компонентам молекулы.

 

Пример молекулы катенана

Первые катенаны были синтезированы еще в 50-х и 60-х годах, но их молекулы были слишком малы, чтобы использовать их в молекулярных машинах. Жан-Пьер Соваж пришел к созданию своего катенана, изначально занимаясь исследованиями в совсем другой области. Он интересовался фотохимией, изучая соединения, которые способны получать энергию из солнечного света и использовать ее для химических реакций. В структуре одного из таких соединений он обнаружил два молекулярных кольца, переплетенные вокруг центрального иона меди. Используя эту молекулу как модель, Соваж и его коллеги сначала синтезировали молекулу, где ион меди стягивал между собой «кольцо» и «полумесяц». Затем они добавили к «полумесяцу» второй, получив два кольца. Наконец, им удалось удалить центральный ион меди, получив в итоге катенан из двух колец.

 

Синтез катенана с использованием иона меди

Важным показателем эффективности химического синтеза служит процент целевого вещества в продуктах реакции. На раннем этапе синтеза катенанов выход не превышал нескольких процентов, в лаборатории Жана-Пьера Соважа за счет использования иона меди при объединении молекул процент выхода подняли до 42 %. Благодаря методу Соважа исследования в области так называемой топологической химии активизировались, и ученые начали получать все более сложные катенаны, имеющие вид длинных цепочек или узлов из нескольких колец. В частности, Соваж получил молекулу в виде тройного узла (a.), Стоддарт – в виде «колец Борромео» (b.), а совместно эти двое ученых синтезировали молекулу в форме «узла Соломона» (c.).

 

Различные формы, которые могут иметь молекулы катенанов

В 1994 году исследовательская группа Соважа смогла получить катенаны, в которых одно кольцо могло при получении энергии совершать один оборот вокруг другого. Это был первый «зародыш» небиологических молекулярных машин.

Вторым шагом к молекулярным машинам стало создание Фрейзером Стоддартом в 1991 году соединения из группы ротаксанов (от лат. rotare «вращать»). В молекуле этих веществ кольцевая часть надета на линейную молекулу. Под действием тепловой энергии кольцо может двигаться на своей оси вперед и назад. Ротаксаны были известных тоже еще с 1960-х годов, но до Стоддарта никто не пытался управлять движениями этих молекул.

 

Структура ротаксана

 

Формулы простых катенанов и ротаксанов

К 1994 году ученый смог полностью контролировать движения кольца в молекуле ротаксана. Это позволило Стоддарту на основе молекул ротаксанов разной формы собрать первые машины. В 2004 году он создал молекулярный лифт, который поднимался на высоту 0,7 нанометра. А в 2007 году – молекулярный мускул, сгибающий сверхтонкую золотую пластинку.

 

«Молекулярный лифт» Фрейзера Стоддарта

Вместе с другими исследователями Стоддарт создал и компьютерный чип на 20 килобайт на базе молекулы из класса ротаксанов. Ученые полагают, что в будущем компьютерная память на основе химической структуры молекулы вытеснит современные кремниевые запоминающие устройства благодаря своей миниатюрности.

С ротаксанами работал и Жан-Пьер Соваж. В 2000 году в его лаборатории была создана молекула из двух сплетенных петель, напоминающая эластичные волокна мышц. При наличии «двигателя» такая структура способна попеременно сжиматься и расживаться.

 

Ротаксановые «мышечные волокна»

Созданием же самих молекулярных двигателей занялся Бернард Феринга. Первый такой двигатель он получил в 1999 году, заставив молекулу вращаться только в одном направлении, а не хаотически, как это обычно происходит. Структура этой молекулы напоминала колесо ротора с двумя лопатками. А вращалась она под действием ультрафиолетового излучения. К каждой лопатки была присоединена метильная группа, не дававшая молекуле поворачиваться в обратном направлении.

 

Схема работы «молекулярного ротора», который синтезировал Бернард Феринга

К 2014 году Феринга и его сотрудники заставили свой двигатель вращаться со скоростью 12 миллионов оборотов в секунду. В 2011 году эта же исследовательская группа создала «наноавтомобиль», в котором четыре молекулярных ротора работали в качестве колес, отталкиваясь от твердого субстрата. В третьем эксперименте ученые заставили молекулярную машину вращать стеклянный цилиндр длиной 28 микрометров.

 

«Наноавтомобиль»

Сейчас появляются все более совершенные небиологические молекулярные машины. Например, появившийся в 2013 году наноробот на основе ротаксанов, который может захватывать и соединять аминокислоты.

Руссо Максим
читайте также
Pro Science
Эксперименты империи. Адат, шариат и производство знаний в Казахской степи
Май 15, 2024
Pro Science
Раскопки в Телль Ваджеф
Май 15, 2024
ЗАГРУЗИТЬ ЕЩЕ

Бутовский полигон

Смотреть все
Начальник жандармов
Май 6, 2024

Человек дня

Смотреть все
Человек дня: Александр Белявский
Май 6, 2024
Публичные лекции

Лев Рубинштейн в «Клубе»

Pro Science

Мальчики поют для девочек

Колонки

«Год рождения»: обыкновенное чудо

Публичные лекции

Игорь Шумов в «Клубе»: миграция и литература

Pro Science

Инфракрасные полярные сияния на Уране

Страна

«Россия – административно-территориальный монстр» — лекция географа Бориса Родомана

Страна

Сколько субъектов нужно Федерации? Статья Бориса Родомана

Pro Science

Эксперименты империи. Адат, шариат и производство знаний в Казахской степи

О проекте Авторы Биографии
Свидетельство о регистрации средства массовой информации Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и средств массовой информации.

© Полит.ру, 1998–2024.

Политика конфиденциальности
Политика в отношении обработки персональных данных ООО «ПОЛИТ.РУ»

В соответствии с подпунктом 2 статьи 3 Федерального закона от 27 июля 2006 г. № 152-ФЗ «О персональных данных» ООО «ПОЛИТ.РУ» является оператором, т.е. юридическим лицом, самостоятельно организующим и (или) осуществляющим обработку персональных данных, а также определяющим цели обработки персональных данных, состав персональных данных, подлежащих обработке, действия (операции), совершаемые с персональными данными.

ООО «ПОЛИТ.РУ» осуществляет обработку персональных данных и использование cookie-файлов посетителей сайта https://polit.ru/

Мы обеспечиваем конфиденциальность персональных данных и применяем все необходимые организационные и технические меры по их защите.

Мы осуществляем обработку персональных данных с использованием средств автоматизации и без их использования, выполняя требования к автоматизированной и неавтоматизированной обработке персональных данных, предусмотренные Федеральным законом от 27 июля 2006 г. № 152-ФЗ «О персональных данных» и принятыми в соответствии с ним нормативными правовыми актами.

ООО «ПОЛИТ.РУ» не раскрывает третьим лицам и не распространяет персональные данные без согласия субъекта персональных данных (если иное не предусмотрено федеральным законом РФ).