Школьники из Москвы, Казани и Нижнекамска разработали дизайн молекулярной машины, способной, подобно циферблату, переключаться между 12 различными состояниями. Необычное решение позволило участникам победить в Межрегиональном химическом турнире — крупнейшем командном соревновании по химии в России. Результаты опубликованы в группе турнира.

Молекулярные машины — сложные конструкции, состоящие из нескольких молекул, способные управляемо выполнять простейшие механические операции. Например, вращаться или перемещаться вдоль длинной цепочки атомов под действием внешних стимулов — химических реагентов, света или электричества. За их проектирование и синтез в 2016 году была вручена Нобелевская премия по химии. Одно из заданий прошедшего турнира состояло в разработке молекулярной машины, обладающей строго заданной функциональностью: она должна была циклически переключаться между 12 состояниями.

В качестве «мотора» для стрелки циферблата участники команды-победителя выбрали конструкцию из углеродных нанотрубок. В ней хиральная (не совпадающая со своим зеркальным отражением) нанотрубка помещена двумя концами в проводящие нанотрубки большего диаметра, присоединенные к электродам. Такое устройство способно вращаться под действием тока — этот вид моторов был ранее описан физиками из Университета Ланкастера.

Команда-победитель турнира. Никита Палшков

Строение «молекулярного циферблата». Руслан Котляров et al. / «БМУ» (сборная из Москвы, Казани и Нижнекамска)

Роль стрелки играла линейная молекула, прикрепленная к ротору мотора — она жестко направлена в сторону от оси мотора. На ее конце располагается пиридиновый фрагмент, способный своим атомом азота «приклеиваться» к металлам. В качестве циферблата участники предложили олигомерное кольцо из 12 соединенных порфириновых циклов. В центре каждого порфиринового ядра школьники предложили поместить атом цинка — к нему и «приклеивалась» стрелка по ходу своего вращения. Хотя  решение и не описывает метод сборки структуры, многие члены жюри согласились с его работоспособностью.

Слева — секция круга «циферблата», справа — стрелка. Руслан Котляров et al. / «БМУ» (сборная из Москвы, Казани и Нижнекамска)

Межрегиональный химический турнир сочетает в себе черты конференции и олимпиады. За несколько месяцев до турнира участникам выдается пакет задач,каждая из которых требует небольшого исследования. Команды готовят решения и затем очно защищают — при этом выступая как в роли докладчиков, так и оппонируя и рецензируя выступления других команд.

В 2017 году задания турнира были объединены тематикой «Химия и время». Помимо разработки дизайна молекулярной машины, участникам предлагалось запустить смену окраски в листьях путем химических воздействий, придумать двигатели внутреннего сгорания для планет с иным составом атмосферы, определить характеристики древнейших батареек и построить прибор, ускоряющий реакции с помощью электростатического поля.

В заключительном этапе турнира приняло участие 36 команд (более 200 человек) из 25 регионов России. Всего жена места в финале претендовало более 3200 школьников из России, Казахстана и Беларуси. Второе абсолютное место заняла команда из Кирова, третье — команда из московской школы №192. В число призеров вошли участники из Новосибирска, Москвы, Екатеринбурга, Тулы, Казани, Иркутска и Воронежа.

Автор: Владимир Королёв