В 12:00 по московскому времени во французской Тулузе стартовали первые в истории молекулярные гонки. В качестве гоночных болидов выступают молекулы или супрамолекулярные комплексы — их размер в десятки (а порой и сотни) тысяч раз меньше, чем сечение волоса. Специально для гонок Национальный центр научных исследований (CNRS) разработал сканирующий туннельный микроскоп сразу с четырьмя считывающими элементами. Общая протяженность маршрута гонок — 100 нанометров, в том числе два 45-градусных поворота. В гонке будут участвовать шесть команд из Японии, Франции, Германии, Швейцарии и США. Событие транслируется онлайн на официальном канале молекулярных гонок в Youtube. Гонка продлится 30 часов.

Молекулярные машины — молекулы, или группы молекул, способных контролируемо выполнять определенные операции. Например, под действием квантов света они могут вращать отдельные части или двигать ими подобно поршню в насосе под действием химических добавок. В 2016 году за разработку молекулярных машин была вручена Нобелевская премия по химии, подробнее о ней можно прочитать в нашем материале.

Молекулярные машины, участвующие в гонках, способны направленно перемещаться по металлическим поверхностям под действием электрического тока. Трасса (точнее, четыре трассы) располагается на поверхности 8-миллиметрового золотого медальона. Она представляет собой изогнутую канавку, глубиной 0,3 нанометра (такое пространство занимают примерно два атома золота) и длиной 100 нанометров. По правилам гонки, время, отведенное на преодоление трассы — 30 часов. В случае «аварии» машину разрешается заменить, однако менять иглу в ходе гонок запрещено.

Команды гонки. CNRS / Youtube

Всего в гонке участвуют шесть команд. Изначально планировалось отобрать четырех финалистов, но, как отметили организаторы в комментарии к трансляции, «они не настолько бессердечны», чтобы дисквалифицировать две команды, готовые участвовать. Поэтому все шесть команд участвуют одновременно, четыре — управляя четырехзондовым микроскопом в CEMES (Тулуза), еще две — дистанционно управляя еще двумя микроскопами в США и Европе.

На первом этапе участники должны поместить молекулярные машины на свою часть медальона. Изначально машины представляют собой обыкновенные порошки или существуют в виде растворов, в одном грамме такого материала могут быть сотни миллиардов миллиардов (10²⁰) молекул. Поместить машины на медальон можно либо сублимацией (испарение и, затем, осаждение на золотую поверхность) или осаждением из раствора.

Установка, в которой будут происходить молекулярные гонки. Cyril FRESILLON/CEMES/CNRS

Затем, с помощью сканирующего туннельного микроскопа команды должны поместить одну из машин в начало трассы. Этот тип микроскопов представляет собой очень острую иглу (на ее острие может быть всего несколько атомов), с помощью которой можно ощупывать поверхность образца, подавая на нее напряжение и измеряющего ток туннелирования электронов. Уникальность микроскопа, используемого в гонках в том, что в нем одновременно и независимо работают четыре таких иглы.

Перемещение молекулярных машин по трассе, согласно правилам гонки должно проходить под действием электрических импульсов. Машину нельзя подталкивать иглой механически. При этом принцип движения «спортивных болидов» может быть разным, но, как правило, молекулы меняют свою геометрическую конфигурацию благодаря энергии от электрона, попавшего с иглы. Скорость движения машин соответствует примерно 0,3–0,6 нанометрам на каждый электрический импульс. Главная сложность — необходимость отслеживать положение молекул на треке, один скан может занимать несколько минут.

Структура и СТМ-микрофотография машины французской команды. CEMES-CNRS

Идея конкурса возникла в 2013 году при анализе научных публикаций различных групп. Всего заявки на участие в гонках подали девять проектов, шесть из них соответствовали необходимым критериям. На сайте мероприятия опубликована информация о молекулярных машинах команд. Так, французская команда создала для участия «зеленный багги» — плоскую вытянутую молекулу, по бокам от которой располагаются четыре колеса, каждое из которых похоже на винт с тремя лопастями. «Зеленый» в названии — отсылка к цвету раствора вещества. Молекула швейцарской команды скорее представляет собой аналог «аппарата на воздушной подушке» — молекула толилтерпиридина лишена колес и перемещается по поверхности благодаря слабым взаимодействиям с ней. Команда из Германии использует вместо одной молекулы комплекс из сразу четырех частиц, связанных  слабыми водородными связями — «вертушку».

Организаторы отмечают, что главная цель гонок — помимо соревнования между научными группами — усовершенствование методов наблюдения за единичными молекулами и контроля их перемещения.

Автор: Владимир Королёв