gradbanu: Нобелевскую

Нобелевскую премию по химии в 2016 году вручили за проектирование и синтез молекулярных машин. Что это такое и как это работает, рассказывает «ПМ».









Машины Стоддарта строились на двух принципах, которые унаследовали все следующие поколения молекулярных машин. Первый из них гласит, что связь между подвижными частями машины или подвижной и не подвижной не должна иметь ковалентную природу. Ковалентные связи слишком сильные для того, чтобы их можно было легко разрывать и снова создавать. Вместо этого для движущихся частей машин используется электростатическое притяжение между частями молекул, имеющих полярные электрические моменты.
Второй принцип заключается в том, что «шаттлам» не должен быть нужен внешний источник энергии. Они получают энергию от броуновских столкновений с другими молекулами в растворе.
Свой механизм Стоддарт использовал для создания устройства хранения информации на основе сотен челноков. Пойманные в ловушку между кремниевым слоем и титановыми электродами, ротаксаны с помощью электричества перемещают «муфту» вперед и назад — получаются своеобразные молекулярные «счеты» 13 мкм длиной, способны хранить 160000 бит информации и настолько малы, что 100 гигабит с их помощью может поместиться на 1 квадратном сантиметре. Это сравнимо с технологиями записи данных, которые используются в современных жестких дисках.

Ферринга и молекулярные двигатели

В 1999 году наука о молекулярных машинах сделала еще один гигантский скачок вперед. На основе челноков Стоддарта голландский ученый Бен Феринга создал первый в истории молекулярный мотор. Он представлял собой одну крупную молекулу, содержаю два одинаковых блока, соединенных двойной углерод-углеродной связью. Пока связь была цела, система находилась в равновесии, но ее легко можно было привести в движение лучом света, который способен частично разрушить двойную связь C-C. Когда связь нарушается, блоки начинают вращаться друг относительно друга. Особенно важно было то, что геометрия блоков позволяла им вращаться только в одном направлении. Пока работал источник энергии — света или тепла — мотор продолжал крутиться.
Ферринга пошел дальше и на основе своего мотора построил четырехколесный «наноавтомобиль» (!), способный «ехать» в заданном направлении под действием света.
Самым удивительным свойством молекулярных машин оказалось то, что они, как и их аналоги из макромира, способны перемещать объекты крупнее себя. Молекулярный моторчик Ферринги способен увезти на себе стеклянную чешуйку, масса которой в 10 000 раз превышает массу молекулы.

Как было отмечено сегодня во время объявления имен лауреатов Нобелевской премии, молекулярные механизмы во многом остаются игрушкой ума, не находя практического применения: их слишком сложно построить и еще сложнее заставить работать. Но фундаментальные открытия, стоящие за кажущейся простотой их конструкции, уже применяются в реальной технике.
Главная область применения молекулярных механизмов — адресная доставка лекарств. В июле 2015 года команда американских ученых разработала управляемое светом вещество — аналог известного лекарства от рака, комбретастина А-3. Комбретастин печально известен тем, что наряду с опухолями атакует и здоровые ткани. Залог его правильной работы — точная доставка к раковым клеткам. Управляемую светом молекулу, в которой азот-азотная связь рвется и заставляет молекулярные «педали» вращаться только под действием синего света, можно направлять в нужное врачам место площадью всего около 100 мкм².