Что такое молекулярная машина
Гонки на молекулах: краткий обзор молекулярных машинок
В конце апреля в Тулузе было тепло, но температура на гладкой позолоченной трассе приближалась к абсолютному нулю. Здесь, в глубоком вакууме туннельного микроскопа, прошли первые в истории гонки наномобилей — и до финиша добрались далеко не все.
Green Buggy
Toulouse Nanomobile Club (Франция)
Разработчик: Тулузский университет III им. Поля Сабатье.
Конструкция: жесткое шасси на четырех группах, каждая из которых вращается независимо под действием туннельного тока, перемещая болид на 0,3 нм за каждый полный оборот.
Преимущества: изогнутая форма шасси минимизирует взаимодействия с поверхностью подложки, которые могут снижать скорость на трассе.
Прошел: 0 нм.
На 100-нанометровую дистанцию участникам NanoCar Race было выделено более двух суток, хотя победитель определился уже через несколько часов: двухколесный гонщик развил бешеную скорость, которая позволила бы преодолеть сантиметр всего за 11,5 лет. Несмотря на это, борьба развернулась нешуточная. Соревнования держали в напряжении тысячи зрителей, которые следили за прямыми включениями из Центра разработки материалов и структурных исследований (CEMES) во французской Тулузе, пока участники заменяли и вновь ускоряли свои болиды и даже перезапускали автодром.
Dipolar Racer
NanoPrix Team (США, Австрия)
Разработчик: Университет Райса, Грацский университет.
Конструкция: два свободно вращающихся колеса на основе жесткой углеродной решетки адамантана. Ускоряется туннельными токами, действующими на заряженные группы в передней и задней частях шасси.
Преимущества: скорость так велика, что на золотой подложке болид не удается рассмотреть. Специальным решением жюри было разрешено использовать «замедляющую» серебряную подложку, на которой Dipolar Racer развил скорость 95 нм/ч.
Прошел: 450 нм.
Молекулярные машины разгонялись токами, которые протекали по тонкой — с острием в несколько атомов — игле сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Игла двигается в нескольких ангстремах над проводящей поверхностью, что позволяет осматривать ее с разрешением до атома или манипулировать отдельными частицами, подавая на них слабый туннельный ток. Под его действием перемещались и наномобили, хотя в остальном конструкторы проявили большую изобретательность, синтезировав молекулы с двумя и четырьмя колесами, парящие над трассой, как ховербайк, и даже ползущие на манер гусеницы.
Swiss Nano Dragster
Swiss Team (Швейцария)
Разработчик: Базельский университет.
Конструкция: бесколесный «ховербайк», приводимый в движение за счет электромагнитных взаимодействий, которые возникают под действием токов между тремя плоскостями терпиридиновой группы и поверхностью золотой подложки.
Преимущества: простая и устойчивая структура повышенной выносливости, способная выдержать многочасовую гонку без разрушения.
Прошел: 133 нм.
Специально для NanoCar Race команда профессора CEMES Кристиана Иоахима собрала СТМ, способный манипулировать четырьмя иглами сразу, проводя наномобили по параллельным дорожкам. Однако этого оказалось мало: к финишным заездам были готовы сразу шесть команд, так что гонки проходили не только на основном «автодроме», но и еще на двух СТМ-установках, расположенных в Австрии и США. Утром 28 апреля старт был дан. К этому моменту молекулы каждой команды уже были напылены на золотую подложку, оставалось подогнать болиды к месту старта и начать разгон, входя в первый поворот.
NIMS-MANA Car
Nano-Vehicle NIMS-MANA (Япония)
Разработчик: Национальный институт наук о материалах.
Конструкция: модуль из спаренных молекул нафталина меняет положение относительно шасси, заставляя болид двигаться на манер живой гусеницы. Второй модуль расположен симметрично для повышения надежности и скорости.
Преимущества: «шарнирная подвеска» модулей позволяет контролировать движение с высокой точностью, однако до начала гонок разработчики не успели испытать ее на золотой подложке.
Прошел: 1 нм.
Авария случилась уже через полчаса: нескоординированные действия японской команды Nano-Vehicle NIMS-MANA привели к зависанию основного микроскопа, из-за чего заезд пришлось прервать для перезагрузки СТМ. Зато после нового старта гонка пошла быстрее: стремительный швейцарский «нанодрагстер» претендовал на победу, но несколько раз терялся, и команда потратила драгоценные минуты на его замену. Победителем же оказался «дипольный гонщик» американо-австрийской команды NanoPrix, который развил бешеную скорость, добравшись до финиша за полтора часа и оторвавшись от пришедшего вторым «драгстера» на пять часов.
Bobcat Nano-Wagon
Ohio Bobcat Nano-Wagon Team (США)
Разработчик: Университет Огайо.
Конструкция: на Н-образном шасси — четыре вращающихся колеса на основе кукурбитурила, округлой макроциклической структуры из пяти- и шестичленных азотсодержащих колец.
Преимущества: каждый оборот колеса продвигает багги на 0,3 нм вперед; по расчетам разработчиков, этого достаточно, чтобы преодолеть нужную дистанцию примерно за час.
Прошел: 43 нм.
Третья награда NanoCar Race досталась багги американской команды. Содержащий больше 500 атомов наномобиль также получил специальный приз как самый крупный болид гонок. Впрочем, ни ему, ни остальным трем участникам за 30 часов не удалось даже добраться до финиша (французский наномобиль и вовсе не смог сдвинуться с места). Несмотря на очевидный прогресс нанотехнологий, возможности манипуляции отдельными атомами и молекулами пока очень и очень ограниченны. Зато это направление развивается в потрясающем темпе, и уже от следующих гонок NanoCar Race болельщики ждут и большей конкуренции на трассе, и больших скоростей.
Windmill
Nano-Windmill Company (Германия)
Разработчик: Дрезденский технический университет.
Конструкция: четыре молекулы бифенилацетила удерживаются водородными связями. Ток, воздействуя на одно из внешних бензоловых колец, заставляет систему двигаться в его направлении.
Преимущества: четыре независимых движителя обеспечивают высокую маневренность. Благодаря гибкой модульной конструкции болид можно быстро восстановить после аварии.
Прошел: 11 нм.
Какими будут молекулярные машины будущего?
Молекулярные машины — это наноразмерные сборщики (наноассемблеры), которые выстраивают себя и свое окружение в более сложные структуры. Входя в разряд нанотехнологий в умах простых обывателей, эти устройства очень многообещающие — но на их счет часто заблуждаются. Давайте отделим научные факты от научной фантастики. Понятия, которые лежат в основе этой формы нанотехнологий, существуют уже достаточно долго, чтобы просочиться в современную науку. Первым о идее «синтеза через прямую манипуляцию атомами» заговорил Ричард Фейнман. С тех пор ученые очень много размышляли о том, как сложить атомы и молекулы в нечто большее, чем простые строительные кирпичики.
Самым известным считается подход к производству снизу-вверх Эрика Дрекслера, изложенный в его книге «Машины творения» 1986 года. В книге он изложил идею наноразмерного «ассемблера», который мог бы создавать копии себя или других молекулярных объектов с атомным управлением; он также мог бы создавать более крупные и сложные структуры. Такая себе микроскопическая сборочная линия, стройматериалы из самых простейших ингредиентов. К моменту появления первых нанотехнологий в середине восьмидесятых они казались сошедшими со страниц научной фантастики.
Утопая в «серой слизи»
Тогда даже Дрекслер признал, что за наностроительной площадкой нужен строгий надзор.
«Представьте себе такой репликатор, плавающий в бутылке химических веществ и делающий копии самого себя, — объяснял он в «Машинах творения». — Первый репликатор создаст копию в одну тысячную долю секунды, два репликатора произведут еще два в долю секунды, четыре построят четыре, восемь построят восемь. Через десять часов будет не тридцать шесть новых репликаторов, а более 68 миллиардов. Меньше чем через день они будут весить тонну; через два дня они будут весить с Землю; еще через четыре часа они превзойдут Солнце по массе и все планеты вместе взятые — если бутылка химикатов не иссякнет задолго до этого».
Эта безжалостная эффективность, утверждает Дрекслер, сделает некоторых нанороботов существенно превосходящими природные органические существа, по крайней мере в эволюционном смысле. Всеядные бактерии будут существенно превосходить настоящих, перерабатывая биосферу на пыль — или «серую слизь» — всего за несколько дней. Гипотетический сценарий конца света, когда наноботы захватывают мир и превращают нас в аморфную слизь, скептики выдвигают в противовес заманчивым обещаниям нанотехнологов. Впрочем, прошло тридцать лет, а мы все еще здесь, и хотя у некоторых из нас могли появиться серые пятна на лице, мы пока не стали побочным продуктом развития молекулярных машин.
Строительные блоки
Правда в том, что последние тридцать лет ученые старательно пытались создать структуры молекулярных размеров, которые могут управлять собой и собирать сами себя, двигаться и даже работать совместно. Это не так-то просто, разумеется, — строительство на таком молекулярном уровне требует атомарной точности — но, к счастью, физика и химия продвинули это до точки, когда такой фокус стал возможным. И есть богатый пул молекулярных машин, некоторые из которых были созданы под вдохновением от природы, а некоторые по принципам механической инженерии, но которые демонстрируют это.
«Мы можем напрямую соединять молекулы, используя спаривание оснований Уотсона-Крика. Межмолекулярные взаимодействия с использованием липких концов имеют четко определенную геометрию, — объясняет профессор Нед Симан, нанотехнолог из Отделения химии Нью-Йоркского университета, которого считают основателем поля нанотехнологий в ДНК. — ДНК как Lego».
Основные строительные блоки жизни уже обладают функциями, необходимыми для сложения, объединения, роста и строительства — и они идеально подходят для строительства объектов в наномасштабах. Создавая цепи ДНК с тщательным контролем последовательностей оснований, можно связывать индивидуальные цепи и создавать экзотические структуры. Геометрия сначала выстраивается на компьютерах, чтобы понять, какие требуются молекулы, а затем синтезируется нужная ДНК — как набор Lego.
Нет необходимости в сборке
В отличие от Lego, при соединении в растворе ДНК может образовывать структуры без вмешательства. Взаимодействия между цепочками контролируются последовательностью оснований: некоторые места связываются приоритетно, некоторые нет, и в результате получается пресловутая самосборка. Если предположения об ассемблерах Дрекслера в 80-х годах казались фантастикой, сегодня нельзя отрицать факт, что молекулы, которые могут самостоятельно собираться в новые комплексные структуры, по сути воплощают это.
Твой ход, молекула
Забавные наноинженерные молекулы не только собираются сами — они еще и двигаются. Ряд научно-исследовательских групп создали молекулы, которые могут ходить, подобно людям или животным. Синтезируемые из ДНК, они могут двигаться прямо вдоль дорожки, правда, до недавнего времени было трудно понять, «прыгают» или «плывут» путешественники в новое место — потому что шаги в нанометр длиной сложно зарегистрировать, используя обычные методы. К счастью, ученые из Отделения химии Оксфордского университета пропитали ходоков мышьяком и смогли проследить движение по тонкому следу — раз и навсегда доказав, что ходоки делают то, что и должны были делать.
Механическая инженерия имеет большое влияние на наностроительство — отсюда и название «молекулярные машины». Двигатели, к примеру, которые в реальной жизни кажутся нам громоздкими и шумными, тоже получили молекулярное воплощение. Первый молекулярный двигатель был создан в 2012 году; самый быстрый из серии появился в прошлом году. Самый маленький просто крутит атом серы на поверхности чистой меди, разгоняясь до 7200 оборотов в минуту. Самый быстрый, сделанный из трех молекулярных компонентов, может разгоняться до 18 000 оборотов в минуту — почти как реактивный двигатель.
Альтернативная энергетика
Все это поднимает легко забываемую проблему: на чем будут работать эти молекулярные машины? Основная задача на сегодняшний день в этой сфере — создание синтетических нанодвигателей, говорит доктор Вэй Гао из Отделения электротехники и компьютерных наук в Калифорнийском университете в Беркли. «Новые нанодвигатели, которые могли бы двигаться внутри живых существ, особенно в кровотоке, остаются на повестке дня».
Это довольно грубая и не особо качественная форма движения, никто не спорит, но она доказывает, что молекулярные структуры могут использовать свое окружение для создания энергии, необходимой для их питания. «Синтетические нанодвигатели требуют внешних источников химического топлива, что может значительно помешать их практическому применению», — объясняет Гао. — «Цинковые нанодвигатели — это первый пример нанодвигателей, которые могут использовать естественную среду в качестве источника питания. В дополнение к этому мы разработали биоразлагаемые магнезиевые нанодвигатели, которые могут использовать в качестве топлива воду в присутствии ионов хлора. Возможно, нанодвигатели будущего будут двигаться самостоятельно, используя биологические жидкости вроде крови».
Сведите все до кучи
Очевидно, в наномасштабах таким технологиям нет равных. У нас есть самособирающиеся структуры, складывающиеся формы, которые могут собирать и выпускать груз, хитрые ходоки, молекулярные двигатели, транспорт, который их использует, и даже, может быть, топливо для всего этого. Вы также можете добавить им немного мозгов — вроде светодиодов в одну молекулу и простых компьютеров на основе ДНК — и в один прекрасный день они станут больше, чем просто механическими системами.
Какой прогноз ожидает наноразмерная сборочная линия Дрекслера? «Мы уже показали это», — объясняет Симан, и в этом не получится усомниться. Несколько лет назад Симан в лаборатории показал первую молекулярную сборочную линию. Четыре наноробота из ДНК шли по специально подготовленной поверхности, поднимая частицы золота и взаимодействия с ними, собираясь по мере движения в один из восьми конечных разных продуктов. Правда, конечным результатом была связка одной из восьми разных сочетаний ДНК и золотых частиц, но для доказательства концепции вполне сгодится.
Прогресс с тех пор не сбавляет темпы. Другие сборочные линии были созданы, но вместо того, чтобы пересобирать ДНК, они собирают воедино мелкие молекулы в более крупные и сложные структуры, которым можно найти новые применения. Молекулярные машины используются в лабораториях по всему миру, собирая и настраивая другие молекулы, создавая более мощные структуры, которые можно использовать для других целей.
От вымысла к реальности
Подводя итоги, можно отметить, что мы уже почти на месте. Но вместо того, чтобы получить безымянный рой наноботов, собирающих «серую слизь», в реальности молекулярное строительство более тонкое, структурированное и скромное. Потому, возможно, нет ничего удивительного в том, что сам Дрекслер немного поправил собственную гипотезу о будущем нанотехнологий. В книге 2013 года «Полное изобилие» он пишет о «микроблоках». Они, по его мнению, будут такими матрешками в мире молекулярной сборки, когда каскад тысяч крошечных роботизированных клеток будет создавать объекты на молекулярном уровне, пока не вырастет полноразмерный робот. Первые намеки на это мы наблюдаем на примере работы 3D-принтеров, которые, по сути, собирают объекты на молекулярном уровне.
Конечно, у этой растущей сложности появятся и свои проблемы — но, учитывая расстояние, которое мы прошли, эти препятствия не должны рассматриваться как непреодолимые. «Сама жизнь была бы невозможна без множества молекулярных машин в наших телах, которые работают в сложных условиях и с крайне небольшим количеством энергии, но выполняют сложнейшие задачи, борются с вирусами, движут мышцами, — объясняет профессор Чарльз Сайкс из Отделения химии Университета Тафтса. — Многие удивительные вещи возможны, это доказала природа. Единственное ограничение, как всегда, — это деньги». И с ним соглашаются все академики.
Машина из пробирки
За что дали Нобелевскую премию по химии
Сегодня в Стокгольме объявили лауреатов Нобелевской премии по химии 2016 года. Ими стали Жан-Пьер Соваж, Фрейзер Стоддарт и Бернард Феринга — люди, которых можно назвать пионерами одной из самых интересных областей химии: молекулярных машин и топологических молекул. Мы разобрались в том, как можно завязать молекулу в узел, сделать из нее поршень или построить на ее основе линию по сборке других молекул.
Концепция молекулярного автомобиля, использующего четыре ротора для движения
Francis Villatoro / Youtube
Начнем, пожалуй, с краткой биографии лауреатов — например, интересно отметить, что один из них ни много ни мало рыцарь-бакалавр.
Первый из лауреатов, Жан-Пьер Соваж — 71-летний французский химик, получивший докторскую степень в Университете Страсбурга в 1971 году. Его исследования относились к области координационной химии — так, в рамках работы над диссертацией ученый участвовал в первом синтезе криптандов. Это необычные молекулы, содержащие внутри себя полости, которые хорошо подходят для того, чтобы в них можно было поместить ион металла или другую молекулу. Сейчас Жан-Пьер — сотрудник Института супрамолекулярной инженерии при Национальном центре научных исследований Франции, а также является почетным профессором Университета Страсбурга.
Сэр Джеймс Фрейзер Стоддарт родился в 1942 году в Эдинбурге. Докторскую степень химик получил в 1966 году, в Университете Эдинбурга, а в 1996 году королева Елизавета II посвятила ученого в рыцари-бакалавры. Кстати, Стоддарт — пятый обладатель Нобелевской премии по химии, получивший рыцарское звание до присуждения ему награды шведской Королевской академии наук. Компанию ему составили Гарольд Крото, Норман Хиншельвуд, Роберт Робинсон и Уильям Рамзай. Сейчас Стоддарт руководит группой механостереохимии в Северо-западном университете (США).
Бернард Лукас Феринга — голландец, самый молодой из лауреатов этого года, ему «всего» 65 лет. Докторскую степень химик получил в 1978 году за работы по асимметрическому окислению фенолов. Последнее приводило к «склеиванию» двух молекул — такой результат отдаленно напоминает первые молекулярные роторы, которые и принесли ученому Нобелевскую премию.
Официальная формулировка премии звучит так: «За проектирование и синтез молекулярных машин». Вместе с тем, работы ученых берут свое начало немного в другой области, имеющей дело с топологически связанными молекулами.
Традиционная химическая связь выглядит как пружинка, связывающая два атома в молекуле. Такая связь позволяет молекуле быть отчасти гибкой и даже допускает вращение некоторых ее фрагментов. К примеру, если взять молекулу воды H2O, то окажется, что связи в ней колеблются. Вместе с тем, химические связи мешают частям молекулы свободно перемещаться друг относительно друга.
Многие крупные молекулы можно представить себе в виде цепочек, состоящих из атомов — с различными ответвлениями и зацикливаниями. Представим себе две таких цепочки, лежащие рядом, но не связанные между собой. Теперь завернем обе цепочки в кольца — при этом проденем одну из цепочек через другую. В результате мы получили неразделимую пару цепочек. Они связаны между собой не химической связью, а геометрически — не разорвав одно из колец, их не удастся расцепить. Такую связь химики назвали механической, или топологической.
Представить себе такие молекулы довольно легко, но их синтез оказался непростой задачей. Одним из подходов к их получению был «статистический» синтез. Представьте себе, что на концах каждой из цепочек находятся магниты. Возьмем очень много таких цепочек, положим в коробку и потрясем. Если после этого аккуратно разобрать получившийся комок, не размыкая магнитов, то можно будет найти несколько «правильно» соединившихся цепочек. Очевидно, что выход таких синтезов очень мал — надежно подтвердить образование катенанов, или сомкнутых пар колец, было невозможно.
В 1960-х годах немецкий химик Готтфрид Шилл нашел способ увеличить вероятность «правильного» смыкания цепочек. Для этого химик заранее замыкал одну из цепочек в кольцо и «приклеивал» к нему середину другой цепочки (тоже с группами-магнитами). После того как магниты сцеплялись, группа Шилла убирала «клей», позволяя цепочкам свободно двигаться относительно друг друга. Так впервые были получены катенаны, состоявшие из пары и тройки сомкнутых колец.
Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences