Швейцарские и нидерландские физики собрали из нескольких углеводородных цепочек и атомов азота четырехколесный «автомобиль», который способен двигаться в заданном направлении при подключении внешнего источника питания и сохраняет неподвижность при отсутствии электрического «топлива» – исследование ученых было опубликовано в журнале Nature.

Бен Феринга (Ben Feringa) из Гронингенского университета (Нидерланды) и его коллеги сконструировали «электромобиль» с использованием собственной технологии производства наномоторов. Эти двигатели состоят из нескольких замкнутых колец ароматических углеводородов, которые соединяются с осью вращения – центральным узлом установки – химическим путем.

Появление электронов рядом с такими кольцами вынуждает их менять форму и вращаться в том направлении, которое было задано «инженером» при сборке двигателя. Движение молекулы в этом случае напоминает вращение гребного колеса первых пароходов. При отсутствии свободных электронов в непосредственной близости от этого устройства оно прекращает свое вращение и останавливается.

Ученые собрали большое количество двигателей и «шасси» машин и напылили их на медную фольгу, охлажденную до семи кельвинов (минус 266,15 градуса Цельсия). Затем они соединили их химическим путем и изучили свойства полученных «болидов».

Большая часть автомобилей оказалась дефектной из-за ошибок сборки. В некоторых случаях один или несколько двигателей присоединились к шасси «вверх ногами», в других – два двигателя с одной стороны крутились вперед, а с другой стороны – назад, что заставляло такой «наномобиль» постоянно поворачивать влево или вправо.

Авторы статьи отобрали наиболее удачные экземпляры наномашин и провели несколько экспериментов, используя в качестве источника электронного «топлива» сканирующий туннельный микроскоп. Это устройство состоит из особо тонкой металлической иглы, которая считывает неровности поверхности при помощи импульсов слабого электрического тока. Таким образом, сканирующий туннельный микроскоп выступал одновременно в качестве «топлива» для машины и средства наблюдения за ее движением.

Рис. 1. Трехмерная модель “наномашины” из
нескольких молекул кислорода и углеродных
цепочек.

В ходе первого эксперимента ученые подали десять коротких электрических импульсов напряжением в 500 милливольт, чего было достаточно для продвижения машины на шесть нанометров. Машина передвигалась по достаточно неровной траектории – в некоторых случаях ее заносило влево или вправо. Авторы статьи связывают это с неровностями поверхности и несовершенной сборкой устройства.

После этого исследователи провели несколько других экспериментов, понижая напряжение и меняя полярность тока на игле микроскопа. Устройство сохраняло неподвижность при падении напряжения до 200 милливольт, что соответствует энергии двойной связи между атомами углерода, связывающими кольца двигателей с «шасси» машины. Обратное течение тока сильно деформировало устройство, но не приводило к обратному движению «болида» из-за его химической архитектуры.

Предсказуемое поведение таких машин делает их удобной платформой для изучения работы нанодвигателей и поведения технически сложных устройств на молекулярном уровне. Ученые полагают, что их изобретение может стать основой для разработки более сложных устройств в наномире, которые можно будет применять для дальнейшего развития нанотехнологий и использовать в практических целях.