Из молекул, способных при адсорбции на поверхность принимать несколько возможных ориентаций, можно создавать двумерные массивы, в которых состояние соседних молекул оказывается связанным. Ученые из Китая предложили использовать такие массивы для передачи информации между отдельными молекулами. Результаты исследования опубликованы в Nature Nanotechnology.

Количество функций, которые могут выполнять молекулярные машины, растет день ото дня. Если изначально молекулярные роботы выполняли в основном механические функции и использовались в качестве наномоторов или, например, насосов, то сейчас они, например, уже научились распутывать двойные спирали ДНК.

При этом вопрос о передаче информации между отдельными молекулами остается открытым. Для создания логических цепей из отдельных молекул уже были предложены механизмы, основанные на взаимодействии спинов или заряженных участков молекул. Тем не менее, контролировать процесс передачи информации удается только при довольно низких температурах, поэтому ученые продолжают поиск новых механизмов для создания логических цепей из отдельных молекул.

В своем новом исследовании китайские ученые предложили способ передачи информации между отдельными молекулами с помощью взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Для этого они использовали молекулы на основе фталоцианина, нанесенные на медную подложку. Структура фталоцианина напоминает пропеллер с четырьмя лопастями, и из-за взаимодействия с подложкой при адсорбции молекула может принимать одну из двух устойчивых конформаций.

Обе конформации энергетически эквивалентны, и молекула может перейти из одной в другую, повернувшись на 45 градусов. Инициировать такой поворот можно с помощью внешнего воздействия, надавив на одну из «лопастей» этой молекулы иголкой сканирующего туннельного микроскопа.

Последовательная ориентация молекул в двумерном массиве при изменении ориентации молекулы 1 с помощью внешнего воздействия. Chao Li et al./ Nature Nanotechnology, 2017

Из таких молекул химики составили несколько различных структур двумерных массивов, после чего внешним воздействием изменяли ориентацию одной из них и следили за переориентацией остальных. Оказалось, что если соседние молекулы находятся достаточно близко (для фталоцианина олова, использованного в данной работе, не дальше 16 нанометров), то их ориентация на подложке зависит от ориентации соседних молекул. Если у одной из молекул больше одного соседа с противоположной ориентацией, то и сама молекула тоже сориентируется подобным образом. При этом если у молекулы только один сосед противоположной ориентации, или количество соседей в разных конформациях одинаковое, то изменения ориентации происходить не будет.

Соответственно, повернув одну молекулу в правильно составленном массиве, можно запустить цепную реакцию и смену конформаций молекул в длинной цепочке. При этом такие системы могут не только использоваться для передачи сигнала по заранее созданным маршрутам, но и выполнять простейшие логические операции.

Ученые смогли показать, что к переориентация приводит близкодействующее взаимодействие Ван-дер-Ваальса, а не дальнодействующее электростатическое. Поворот одной из молекул изменяет энергетический барьер, которые нужно преодолеть для поворота соседней молекуле. И если тепловой энергии оказывается достаточно, то она тоже поворачивается. Так как этот процесс определяется энергией активации, то его скоростью довольно легко управлять, изменяя температуру системы.

По словам ученых, достоинствами предложенного метода является именно то, что он работает при комнатной температуре. При этом для управления конформационным состоянием молекул действительно не нужно дополнительно прикладывать напряжение или, например, приводить электроны в возбужденное состояние.

Если такие логические цепочки удастся приспособить для управления молекулярными машинами, то их можно будет использовать для синтеза стереоспецифических молекул при комнатной температуре или для управляемого сверления клеточных мембран.

Автор: Александр Дубов