Ученым из Мюнхенского технического университета (TUM) удалось проконтролировать самосборку стержневидных бактерий в наноразмерный ротор. Миниатюрные системы предназначены для изучения сил, воздействующих на молекулы в клеточных структурах и на поверхностях.

Полученные данные опубликованы в текущем интернет-выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ученые только недавно начали открывать и использовать базовые законы и принципы наномира. Профессор Иоганнес Барт (Johannes Barth) и его команда с факультета физики Мюнхенского технического университета в сотрудничестве с профессором Марио Рубеном (Mario Ruben) и другими учеными из Технологического института Карлсруэ (Германия) провели успешный эксперимент, в ходе которого им удалось захватить стержневидные молекулы в двумерную сеть таким образом, что они самостоятельно формировали небольшие роторы, вращающиеся в сотообразных клетках.

Образцы таких самоорганизованных систем можно увидеть и в природе: белки располагают действующие вещества так близко друг к другу, что происходит реакция, возможная только при непосредственной близости веществ. Эти эффекты используются в катализаторах: поверхностные реактанты находят дорогу друг к другу на поверхности посредников. Однако, заветная мечта использовать эффекты самоорганизации в самостоятельной сборке наномашин до сих пор остается делом будущего.

Ротор, разработанный в г.Гарчинге (Германия), – важный шаг в этом направлении. Физики собрали широкомасштабную нанорешетку, позволив взаимодействовать между собой атомам кобальта и стержневым молекулам гексафенил-дикарбонитрила (sexiphenyl-dicarbonitrile) на серебряной поверхности. В результате получается сотообразная решетка, характеризующаяся крайней регулярностью и поразительной устойчивостью. Как и графен, за открытие которого несколько недель назад была вручена Нобелевская премия, эта решетка имеет толщину в один атом.

Когда исследователи добавили молекулярных строительных элементов, стержни внезапно объединились (в основном, по три элемента в группе) в сотообразной клетке, в то время как близлежащие клетки остались пустыми. Должна быть причина, почему близкие молекулы самостоятельно объединяются в тройки. С помощью сканирующей туннельной микроскопии ученые смогли это выяснить. Три молекулы ориентируются таким образом, что азотные концы каждой получаются обращены к атому водорода фенильного кольца. Такое расположение трехлопастного ротора настолько энергетически выгодно, что молекулы удерживают эту структуру, даже когда тепловая энергия заставляет его вращаться.

Так как сотообразные клетки не круглые, а шестигранные, есть два различных положения роторов, которые можно различить в результате взаимодействия между внешними атотами азота и атомами водорода клеточной стенки. Более того, три молекулы располагаются по часовой и против часовой стрелки. Экспериментируя с различными, тщательно контролируемыми температурами физикам удалось заморозить все четыре состояния и изучить их более близко. Таким образом они смогли определить пороговую энергию, ориентируясь на температуру, при которой вращение возобновлялось.

Рис. 1. Стержни гексафенил-дикарбонитрила самостоятельно образуют трехлопастной ротор. При воздействии тепловой энергии они начинают вращаться внутри сотообразной клетки. Изображение Johannes V. Barth.

Мы надеемся, что в будущем сможем развить эти простые механические модели до оптических или электронных переключателей, – сказал профессор Иоганнес Барт. – Мы можем установить специальный размер клеток, расположить рядом с ними молекулы и изучать взаимодействие с поверхностью и клеточной стенкой. У этих самоорганизующихся структур невероятный потенциал».

По материалам: