Молекуломобиль: Нанолитражка с полным приводом
Чтобы доставить груз из пункта А в пункт Б, потребуется совершить работу. Для этого мы используем механическую энергию вращающихся колес. Для этого мы включаем двигатель, который превращает энергию, запасенную в химических связях углеводородов (или энергию электрического тока), в механическую. Так же происходит и в природе, для чего существуют так называемые моторные белки, превращающие «химическую» энергию молекул АТФ в механическое движение.
Химики и биохимики множество раз обращались к этим «естественным двигателям», чтобы на тех же основах сконструировать молекулярный транспорт для выполнения механической работы в наноразмерных масштабах. И один из несомненных успехов в этом направлении — недавняя работа швейцарских ученых под руководством Карла-Хайнца Эрнста (Karl-Heinz Ernst) и их коллег из группы нидерландского профессора Бена Феринги (Ben Feringa) — созданный ими «молекуломобиль» удостоился чести быть представленным на обложке свежего выпуска журнала Nature. Устройство включает четыре независимых вращающихся «колес», которые позволяют всей конструкции осуществлять контролируемое движение по прямой.
По сути, это самый миниатюрный электромобиль в мире (по сравнению авторов, «в миллиард раз меньше чем Volkswagen Golf»), причем — полноприводный. Есть, правда, у «нанолитражки» и серьезные минусы: подзарядка ей требуется неприемлемо часто, дважды за каждый оборот колес (делается это с помощью иглы сканирующего туннельного микроскопа, на которую подается небольшое напряжение), а кроме того, колеса могут вращаться лишь в одном направлении. Никакой передачи заднего хода не предусмотрено.
Принципиально все организовано достаточно просто: молекула определенной формы помещается на проводящую медную пластину, и к ней подносится тончайшая игла туннельного микроскопа. На нее подается напряжение порядка 500 мВ, и электроны начинают перетекать с иглы на молекулу, а через нее — на подложку. Это вызывет структурные изменения во всех четырех «колесах» «молекуломобиля» по механизму цис-транс изомеризации. При этом «колесо» совершает пол-оборота, и молекула смещается вперед.
После проведения необходимых расчетов ученые провели подобный эксперимент на практике. Их «нанолитражка» действительно поехала, успешно преодолев расстояние в 6 нм по более-менее прямой линии. Авторы полагают, что это — лишь первые шаги устройства, показавшие возможность конструировать молекулы, превращающие электрическую энергию в механическую работу. Теперь они займутся созданием такой молекулы, которая могла бы приводиться в действие более удобными источниками энергии — скажем, лучом лазера.
По пресс-релизам Empa и University of Groningen