Как молекулы становятся машинами: За что присудили "нобелевку" по химии

Захватывающая история открытия молекулярных машин в невероятно интересном изложении Нобелевского комитета

Как молекулы становятся машинами: За что присудили "нобелевку" по химии
Жан-Пьер Соваж, Фрейзер Стоддарт и Бернард Феринга Нобелевский комитет

Захватывающая история открытия молекулярных машин в невероятно интересном изложении Нобелевского комитета

Сегодня были названы имена трех лауреатов Нобелевской премии по химии за 2016 год. Ученые получили высшую научную награду за разработку и конструирование молекулярных машин. Нобелевский комитет разъяснил, что это такое и чем может пригодиться человечеству. Приводим перевод разъяснения.

Нобелевская премия по химии за 2016 год присуждена Жан-Пьеру Соважу, сэру Дж. Фрейзеру Стоддарту и Бернарду Феринге за проектирование молекулярных машин, в тысячу раз более миниатюрных, чем человеческий волос. И это история о том, как им удалось увязать молекулы вместе, чтобы спроектировать все, от крошечного лифта до двигателей и миниатюрных мышц.

Насколько маленькую машину вы можете создать? Этим вопросом Ричард Фейнман – лауреат Нобелевской премии, известный своими предсказаниями развития нанотехнологий, сделанными еще в 1950-х гг. – начал свою дальновидную лекцию еще в 1984 году. Босой, одетый в розовую рубашку-поло и бежевые шорты, он обратился к аудитории: "А теперь давайте поговорим о возможности создания действительно крошечных машин с движимыми деталями".

Он был убежден, что строить машины, размеры которых исчисляются нанометрами, возможно. Подобное уже существовало в природе. В качестве примера Фейнман привел бактериальный жгутик – штопорообразную макромолекулу, которая, вращаясь, заставляет бактерию двигаться вперед. Но могут ли люди со своими громадными руками строить настолько крошечные машины, которые можно увидеть только в электронный микроскоп?

Новости по теме

Фейнман предсказал, что молекулярные машины появятся через 20-30 лет

Один из возможных способов работы, по мнению выдающегося физика, могло быть создание механических "рук", которые были бы меньше человеческих, создания для них, в свою очередь, еще более миниатюрной пары "рук" и так далее до достижения нужного размера. Именно так пробовал действовать Фейнман, но не достиг успеха.

Другая стратегия, в которую ученый верил больше, было построение машины снизу вверх. В этой теоретической конструкции разные вещества, такие как кремний, необходимо было распылить по поверхности – один слой атомов за другим. Затем некоторые слои необходимо было частично растворить и удалить, создав таким образом движущиеся детали, которые могли бы контролироваться электрическим током. В прогнозах Фейнмана подобные конструкции можно было бы использовать для создания оптического затвора для крошечной камеры.

Целью лекции было вдохновить исследователей из аудитории испытать на прочность границы возможного. Когда Фейнман наконец договорил и собрал свои заметки, чтобы уходить, он посмотрел на присутствующих и ехидно добавил: "Прекрасно вам провести время в перепроектировании всех видов привычной машинерии, чтобы увидеть, получится ли у вас. И даю вам 25-30 лет, чтобы придумать получившемуся практическое применение. Что это, я не знаю".

Но ни сам Фейнман, ни исследователи, которые пришли его послушать, не догадывались, что первый шаг к созданию молекулярных машин уже был сделан. Но несколько иным способом, нежели предсказывал Фейнман.

Молекулы, соединенные механическим путем

В середине ХХ века, пытаясь создавать все более сложные и совершенные молекулы, химики старались разработать молекулярные цепи, в которых кольцевидные молекулы были бы соединены друг с другом. Человек, который преуспел в этом, не только создал новую удивительную молекулу, но и новый тип связи. Обычно молекулы соединяются прочными ковалентными связями, в которых атомы делятся электронами. Мечтой ученых было создать вместо них механические связи, при которых молекулы соединялись бы при помощи атомов, взаимодействующих друг с другом напрямую.

В 1950-е и 1960-е гг. несколько исследовательских групп сообщили, что сумели создать в своих пробирках молекулярные цепи, но количество произведенных цепей было очень мало, а метод их построения настолько сложным, что применение их было ограниченным. Достигнутый прогресс можно было рассматривать скорее как случайность, нежели как функциональную химию. После нескольких лет неудачных попыток многие исследователи успели потерять надежду, и в начале 1980-х годов специалисты в этой сфере не испытывали ничего, кроме усталости. Тем не менее главный прорыв произошел как раз в 1983 году. Тогда французская исследовательская группа во главе с Жан-Пьером Соважем, используя обычный ион меди, взяла молекулу под свой контроль.

Жан-Пьер Соваж собирает молекулу вокруг иона меди…

Эксперимент Жан-Пьера Соважа Нобелевский комитет

Как это часто бывает в научных исследованиях, вдохновение пришло из совершенно другой области. Жан-Пьер Соваж вел исследования в области фотохимии, в которых химики разрабатывают молекулярные комплексы, которые могут захватить энергию из солнечных лучей и используют ее для управления химическими реакциями. Когда Соваж построил модель одного из этих фотохимически активных комплексов, он вдруг увидел его сходство с молекулярной цепочкой: две молекулы были переплетены вокруг центрального иона меди.

Это привело к резкому повороту в направлении исследований Жан-Пьера Соважа. Используя фотохимический комплекс в качестве модели, его исследовательская группа создала одну кольцевидную и одну подковообразную молекулу таким образом, что они притягивались к иону меди. Этот ион обеспечивал такую силу сцепления, которая удерживала две молекулы вместе. На втором этапе группа использовала химию, чтобы спаять подковообразную молекулу с третьей молекулой, чтобы сформировать новое кольцо, создав таким образом первое звено в цепи. Затем исследователи могли удалить ион меди, который выполнил свою задачу.

У химиков есть понятие "выход реакции" – это процентное соотношение первоначальных и целевых молекул. В предыдущих попытках создать связанные молекулы, исследователи, в лучшем случае, достигали выхода реакции в размере всего нескольких процентов. Благодаря ионам меди, Соважу удалось увеличить выход до внушительных 42 процентов. Неожиданно молекулярные цепи стали чем-то большим, чем простая случайность.

С помощью этого революционного метода, Соваж растормошил сферу топологической химии, в рамках которой исследователи часто, используя ионы металлов, соединяют молекулы во все более совершенные структуры – от длинных цепей до сложных узлов. Жан-Пьер Соваж и Фрейзер Стоддарт (к его исследованиям мы вскоре вернемся) являются лидерами в этой области, а их исследовательские группы создали молекулярные версии культурных символов, таких как трилистник, Соломонов узел и тройное кольцо.

Тем не менее, эстетичные молекулы являются отступлением в истории Нобелевской премии по химии за 2016 год. Так что вернемся к молекулярным машинам.

… и делает первый шаг к молекулярному мотору

Жан-Пьер Соваж вскоре понял, что молекулярные цепи (их также называют "катенаны", от латинского слова " catena", то есть цепь) были не просто новым классом молекул. Разработав метод их создания, он сделал первый шаг на пути к построению молекулярных машин. Для того, чтобы машины выполняли задания, они должны состоять из нескольких частей, которые двигаются относительно друг друга. Два переплетенных кольца соответствовали этому требованию. В 1994 году исследовательской группе Жан-Пьера Соважа также удалось получить катенаны, в котором одно кольцо вращается контролируемым образом – один оборот вокруг другого кольца при условии получения энергии. Это был первый зачаток небиологической молекулярной машины.

Второй зачаток был получен химиком, который вырос на глухой ферме без электричества и каких-либо современных удобств в Шотландии.

Фрейзер Стоддарт нанизывает молекулярное кольцо на молекулярную ось

Эксперимент Фрейзера Стоддарта Нобелевский комитет

В детстве у сэра Фрейзера Стоддарта не было ни телевизора, ни компьютера. Поэтому, чтобы чем-то занять себя, он собирал головоломки, развивая так необходимые химику навыки: распознавание фигур и форм, а также пространственное мышление, чтобы понять, как они соединяются друг с другом. Химия манила его еще и перспективой стать молекулярным художником – человеком, который создает новые, ранее невиданные миром формы.

Когда Фрейзер Стоддарт создавал одно из молекулярных творений, удостоенное позднее Нобелевской премии, он также использовал потенциал химии в проектировании молекул, которые притягиваются друг к другу. В 1991 году его исследовательская группа построила открытое кольцо с нехваткой электронов и длинный стержень, или же ось с двумя богатыми электронами структурами на нем. Когда две эти молекулы встретились в растворе, бедное электронами кольцо притянулось к богатому ими стержню. Таким образом кольцо нанизалось на этот стержень. На следующем этапе, исследовательская группа закрыла отверстие в кольце таким образом, чтобы оно оставалось на молекулярной оси. Так ученые создали ротаксан – кольцеобразную молекулу, которая механически прикреплена к оси, и при этом добились высокого выхода реакции.

Фрейзер Стоддарт затем использовал то, что кольцо оставалось закрепленным свободно, чтобы двигать его вдоль оси. Когда он добавил тепловую энергию молекуле, оно стало прыгать взад-вперед между двумя богатыми частями оси, как крошечный челнок. К 1994 году ученый мог полностью контролировать это движение, тем самым избегая хаотичности движений, царящих в обычных химических системах.

Новости по теме

Подъемный механизм, мускул и миниатюрный компьютерный чип

С 1994 года группа Стоддарта использовала разные ротаксаны, чтобы создать множество молекулярных машин, включая подъемный механизм (лифт), который может поднять сам себя на высоту 0,7 нанометра над поверхностью (создан в 2004 году). Кроме того, они разработали искусственный мускул, ротаксаны которого гнули очень тонкую золотую пластину (разработка 2005 года).

В сотрудничестве с другими исследователями, Стоддарт также разработал на основе ротаксанов компьютерный чип с 20 Кб памяти. Транзисторы в современных компьютерных чипах невелики, но и они кажутся просто огромными в сравнении с транзисторами на основе молекул. Исследователи полагают, что молекулярные компьютерные чипы могут совершить революцию в компьютерных технологиях таким же образом, как однажды это сделали транзисторы на основе кремния.

К слову, Жан-Пьер Соваж также исследовал потенциал ротаксанов. В 2000 году его группа успешно соединила две петлеобразные молекулы, сформировав эластичную структуру, напоминающую волокна человеческой мышцы. Они также создали структуру, которую можно сравнить с мотором. В ней кольцо ротаксана вращается попеременно в разных направлениях.

Создание моторов, которые постоянно вращались бы в одном направлении, было одной из важнейших задач молекулярной инженерии. Множество разных попыток было предпринято в 1990-е гг. учеными, но первым среди них оказался в этом голландец Бернард (Бен) Феринга.

Бернард Феринга строит первые молекулярные моторы

Эксперимент Бена Феринга Нобелевский комитет

Как и Фрейзер Стоддарт, Бен Феринга вырос на ферме и обратил внимание на химию из-за ее бесконечных возможностей для творчества. Как он сам выразился в одном из интервью: "Возможно, сила химии не только в понимании, но и в творчестве, создании ранее не существовавших молекул и материалов…"

В 1999 г., когда Феринга создал свой первый молекулярный мотор, он использовал множество хитрых уловок, чтобы заставить его вращаться в одном заданном направлении. Как правило, движение молекул происходит случайным образом; в среднем, вращающаяся молекула одинаковое количество раз оборачивается в левую и правую сторону. Но Бернард Феринга разработал молекулу, которая была механически сконструирована так, чтобы вращаться в одном определенном направлении.

Молекула состояла из структур, которые можно сравнить с двумя маленькими лопастями ротора. Это были две плоские химические структуры, соединенные двойной связью между двумя атомами углерода. Метильная группа была прикреплена к каждой лопасти винта; каждая из них, а также сами детали винта работали как зубчатый диск, который заставлял молекулу вращаться лишь в одном направлении. Когда молекула подвергалась импульсу ультрафиолетового излучения, лопасть ротора совершала прыжок на 180 градусов вокруг центральной двойной связи. Затем "зубчатый диск" возвращался в рабочее положение. С помощью следующего импульса, лопасть ротора прыгала еще на 180 градусов. И так продолжалось, по кругу снова и снова в одном том же направлении.

Этот первый мотор был не так уж быстр, но исследовательская группа Феринга оптимизировала его. И уже в 2014 году мотор вращался со скоростью 12 миллионов оборотов в секунду. В 2011 году группа Феринга создала также полноприводный наноавтомобиль – его молекулярное шасси скрепляло четыре мотора, которые функционировали также как колеса. Когда колеса вращались, машина ехала вперед по поверхности.

Молекулярный мотор вращает маленький стеклянный цилиндр

В другом поразительном эксперименте исследовательская группа Бена Феринга использовала молекулярные моторы, чтобы вращать стеклянный цилиндр длиной 28 микрометров. Цилиндр в 10 тысяч раз превышал размеры моторов. В ходе эксперимента ученые встроили моторы в жидкий кристалл (жидкость с кристаллической структурой). Моторы занимали только один процент от объема кристалла, но, когда исследователи начали их вращение, двигатели изменили структуру жидкого кристалла и заставили его двигаться ровно тем же образом. Когда исследователи поместили стеклянный цилиндр сверху на кристалл, тот начал вращаться в том направлении, которое задавал молекулярный мотор. Видео эксперимента можно скачать по этой ссылке.

Молекулярный набор инструментов

Новаторские разработки Жан-Пьера Соважа, Фрейзера Стоддарта и Бена Феринги по созданию молекулярных машин привели к разработке набора инструментов из химических структур, которые исследователи по всему миру используют для создания все более продвинутых машин. Один из наиболее впечатляющих примеров – молекулярный робот, который может захватывать и соединять аминокислоты. Он был построен в 2013 году, а в его основе лежит ротаксан.

Другие исследователи соединили молекулярные моторы с длинными полимерами, создав сложную сеть. Когда молекулярные моторы подвергаются воздействию света, они закручивают полимеры в запутанный клубок. Таким образом энергия света хранится в молекуле и, если ученые найдут способ извлекать эту энергию, может быть создан новый тип батарей. Кроме того, этот материал оседает, когда моторы начинают спутывать полимеры, а это можно использовать для создания светочувствительных сенсоров.

Прочь от равновесия – к новой удивительной химии

Важной частью разработок, удостоенных Нобелевской премии по химии за 2016 год, является то, что ученым удалось вывести молекулы из состояния равновесия. Все химические системы стремятся к равновесию – низкоэнергетическому состоянию – но это что-то вроде тупика. Возьмем в качестве примера жизнь. Когда мы едим, молекулы организма извлекают энергию из пищи и выбивают наши молекулярные системы из равновесия на более высокий энергетический уровень. Затем биомолекулы используют полученную энергию для того, чтобы запустить реакции, необходимые для поддержания жизнедеятельности организма. Если организм находится в состоянии химического равновесия, он мертв.

Как и "живые" молекулы, искусственные молекулярные системы Соважа, Стоддарта и Феринга выполняют управляемую задачу. Таким образом химия делает первые шаги на пути в новый мир. Время отчетливо покажет революционный эффект от миниатюризации компьютерных технологий и машин в целом. Мы же видим только начальные стадии этого. Но с точки зрения развития молекулярный мотор является тем же, чем был электрический двигатель в 1830-е гг., когда исследователи гордо демонстрировали разные вращающиеся рычаги и колеса в своих лабораториях. И даже не представляли при этом, каким станет мир с электропоездами, стиральными машинами, вентиляторами и кухонной техникой, работающими на таких моторах.

Итак, спустя 32 года после прорицательской лекции Ричарда Фейнмана мы все еще можем только догадываться о том, какие захватывающие события ждут нас впереди. Тем не менее, у нас уже есть ответ на его вопрос, насколько малыми мы можем строить машины. Как минимум в тысячу раз более миниатюрными, чем срез человеческого волоса.

видео по теме

Новости партнеров

Loading...

Виджет партнеров

d="M296.296,512H200.36V256h-64v-88.225l64-0.029l-0.104-51.976C200.256,43.794,219.773,0,304.556,0h70.588v88.242h-44.115 c-33.016,0-34.604,12.328-34.604,35.342l-0.131,44.162h79.346l-9.354,88.225L296.36,256L296.296,512z"/>