Американские химики из университетов Райса и штата Северной Каролины создали одномолекулярную машину, плавающую в растворе на ультрафиолетовом «приводе». Машина представляет собой большую органическую молекулу с подвижной частью, являющейся некоторым аналогом винта, каждое движение которого перемещает молекулу приблизительно на девять нанометров. Результаты своей работы ученые опубликовали в Nano Letters.

Художественное представление наносубмарины. Изображение: Loïc Samuel

Исследователи синтезировали четыре различных вещества: молекулу без ротора, молекулу с быстрым ротором, вращение которого ограничено одним направлением, молекулу без ограничения и молекулу с медленным ротором, структуру которых они подтвердили с помощью метода ядерного магнитного резонанса.

Строения молекулярных машин. Красным цветом выделен ротор, синим статор, а черным – флуоресцентная метка. Изображение: V. Garcia-Lopez et al. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03764

Динамику движения машин ученые изучали с помощью конфокальной флуоресцентной корреляционной микроскопии одиночных молекул. Применяемый метод позволил исследователям вычислить коэффициент диффузии молекул в жидкости, а из него определить скорость передвижения машин. Наилучшие результаты показала машина с быстрым ограниченным ротором: коэффициент диффузии для этих молекул под действием ультрафиолета составляет 1,26 от коэффициента диффузии без света. Это означает, что при облучении молекул ультрафиолетом они начинают двигаться со скоростью, превышающей скорость Броуновского движения.

За пятьсот наносекунд (время между «тактами» работы мотора молекулы) молекула перемещается приблизительно на 17 нанометров, в конечном итоге скорость передвижения молекулы составляет около двух сантиметров в секунду. И хотя эта величина кажется маленькой, для мира нанообъектов это невероятно много: по словам Джеймса Тура, одного из авторов данной работы, это самые быстрые молекулы, передвигающиеся в растворе.

Молекулярный мотор работает в четыре «такта»: при облучении ультрафиолетовым светом двойная связь, ограничивающая движение ротора, разрывается, ротор проворачивается на четверть оборота, затем стремясь к более выгодному стерическому (пространственному) состоянию проворачивается еще на четверть оборота. Процесс повторяется до тех пор, пока молекулу облучают светом.

Группа Тура имеет большой опыт работы с молекулярными машинами. Ранее они представили органический «нанодрагстер» с фуллереновыми колесами, осями и независимой подвеской, который умел «ездить» по поверхности.

Автор: Евгений Анохин