Различные нанообъекты, такие как наномашины или нанотанки, стали объектом многочисленных шуток в СМИ, однако в каждой шутке есть доля (шутки) правды. Управляемое перемещение различных наноразмерных супрамолекул по заданной траектории (например, с помощью кантилевера СТМ) разумеется представляет пока только теоретический интерес. Тем не менее, одна из последних работ по этой теме, подготовленная международным коллективом европейских исследователей, заслуживает внимания благодаря эффектности полученных результатов.

В качестве «транспортного средства» авторы статьи использовали мезо-(R,S-R,S) изомер довольно сложной макромолекулы (чьё название по ИЮПАК мы для простоты опустим), которая перемещалась по поверхности эпитаксиально выращенному слою меди (111) под воздейсвтием электрического импульса (более 500 мВ), подаваемого на наконечник кантилевера, размещенного по центру «наноавтомобиля». Подав последовательно 10 испульсов, исследователям удалось переместить «полноприводный наноавтомобиль» (можно рассматривать каждый из четырех заместителей в макромолекуле как приводящее колесо) на расстояние 6 нм.

Рис. 1. Структура «наноавтомобиля» (а), структурные изменения, ответственные за перемещение (b), а также их схематическая визуализация (с). Схема управления движением с помощью кантилевера (d) и схематическое изображение движения «наноавтомобиля».

Каков же механизм и природа такого движения? По словам авторов статьи в ходе каждого акта движения происходит два процесса – изомеризация относительно двойной связи (электронное возбуждение) и «винтовая» инверсия (колебательное возбуждение). Каждое такое движение, похожее на гребок, перемещает молекулу на 0,7 нм.

Рис. 2. Правильное и неправильное расположение мезо-изомера, а также расположение (R,R-R,R) изомера на поверхности меди.

Кроме того, для успешного перемещения молекулы по поверхности металла, необходима ее правильная ориентация. В противном случае, передние и задние «колеса» будут двигаться в противоположных направлениях, оставляя молекулу неподвижной. Если же вместо мезо-(R,S-R,S) изомера использовать (R,R-R,R) или (S,S-S,S) изомеры, то из-за рассоглассованного движения «колес» молекула будет двигаться в произвольном направлении.

Рис. 3. Движение неправильно (а-с) и правильно (d-f) расположенной молекулы на поверхности слоя меди. Схема, поясняющая направление движения различных изомеров при различной ориентации.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Tibor Kudernac, Nopporn Ruangsupapichat, Manfred Parschau, Beatriz Maciá, Nathalie Katsonis, Syuzanna R. Harutyunyan, Karl-Heinz Ernst & Ben L. Feringa Electrically driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surface. – Nature. – 479. – 208–211; doi:10.1038/nature10587; Published online 09 November 2011.