Ученые из университета Райса сконструировали первую автономную мобильную наносистему – молекулярную машину, передвигающуюся с помощью световой энергии. Ученые прикрепили к ранее созданному молекулярному наноавтомобилю мотор-лопасти из молекулы р-карборана.

Ранее эта же команда ученых создала наименьшую в мире движущуюся наномашину, которая ездит как настоящие легковые машины. До сих пор ученым не удавалось сделать что-то сложнее простого актюатора или сенсора.

Мы об этом подробно писали в свое время (статья: Молекулярный автомобиль ездит под микроскопом – http://www.nanonewsnet.ru/…-mikroskopom). На самом деле «рама машины» – большая молекула-наносистема, состоящая из трехсот атомов. Она похожа на настоящий автомобиль только наличием четырех «колес» и способом передвижения.

В качестве колес наносистеме служили фуллерены (молекулы С₆₀), связанные химическими связями с «каркасом» машины. Ширина рамы наноавтомобиля – 4 нанометра, чуть больше, чем толщина ДНК. Он имеет раму и оси, к которым и присоединены химическими связями фуллерены.

Другие научные группы уже строили объекты нанометрового масштаба, напоминающие внешне автомобили, однако это первый пример, когда полученная молекулярная конструкция сначала действительно катилась (даже не скользила, а именно ехала!) по поверхности так же, как катятся на колёсах автомобили.

Рис. 1. Предшественник «моторизованного молекулярного экипажа» – рама с вращающимися колесами

Первоначально ученые придумали оригинальный метод приведения в движение наномашины: они нагрели ее до 200° С, что вызвало вращение фуллеренов на химических связях, соединяющих их с «рамой машины». От вращения четырех молекул наносистема пришла в движение и смогла катиться по плоской золотой поверхности.

Однако на «ездовом полигоне» от нагрева ездили все машины, что делает невозможным управление отдельными автомобилями. А это будет необходимо при организации молекулярных конвейеров и транспортных линий, осуществляющих перемещение промежуточных продуктов в нанофабриках будущего. Теперь же ученые решили поставить на каждую машину индивидуальный «мотор», питающийся световой энергией.

Рис. 2. Полигон с машинками под микроскопом

Но для этого потребовалось заменить фуллерены-колеса базовой рамы на молекулы карборанов, содержащие углерод, водород и бор. Такая альтернативная конструкция позволила ученым «навесить мотор».

Мотор-актюатор машины представляет собой крестообразную лопасть, установленную в центре рамы, которая, вращаясь, отталкивает ее от субстрата (все той же золотой подложки). Похоже это на принцип действия древних колесных пароходов, однако, несмотря на архаичность принципа действия, он все же остается довольно эффективным в наноразмерном диапазоне.

Рис. 3. Наномашина с мотором

«Лопастной нанодвигатель», правда, нереверсивный – он может вращаться только в одну сторону, поэтому машинка будет ехать только вперед. Однако управляемое передвижение молекулярной машины – это большой прогресс в области наносистемотехники!

Наномашины настолько малы (как упоминалось выше, их размер составляет 3–4 нанометра), что 20000 устройств можно поместить на торце человеческого волоса.

Руководил исследовательской группой уже известный нам профессор из Райса Джеймс Тур (James M. Tour). Детальное описание наномашины и исследование ее характеристик появилось впервые в выпуске Organic Letters от 13 апреля.

Молекулярная конструкция ротора была разработана Бен Ферингой (Ben L. Feringa), ученым из нидерландского университета. Этот ученый долгое время работал с командой профессора Тура, поэтому исследователям удалось создать столь сложное устройство.

Рис. 4. Сравнение наномашины с обычным авто

Не отстает в развитии нанотехнологий и российская наука. Как мы писали (статья: Химфак МГУ будет строить наномобили на призовом кластере – http://www.nanonewsnet.ru/…vom-klastere), недавно был проведен конкурс на лучший проект по использованию высокопроизводительной кластерной системы, проводившийся компаниями Sun Microsystems и «Т-Платформы».

Так вот, первое место и самый мощный призовой 10-узловой кластер T-Fire20 от компании «Т-Платформы» и корпорации Sun Microsystems достались Химическому факультету МГУ за проект «Прототипы наномобилей на основе высокопроизводительных расчетов методами молекулярного моделирования. Нашим ученым удалось смоделировать на кластерных системах тот самый наноавтомобиль профессора Тура. Только вот синтезировать его "вживую» им пока не удается. Для его синтеза необходимо финансирование, которое пока не открыто. Сейчас же химфак МГУ намерен моделировать различные комбинации из молекул-«осей» и «колес», чтобы получать более скоростные или грузоподъемные модели наномобилей.