Механические миниатюры: Нобелевку по химии получили изобретатели наномашин

"Я почти не верил, что у меня получилось. И при этом я чувствовал себя как братья Райт, которые впервые поднялись в небеса, а люди спрашивали их, зачем вообще нужна летающая машина", - делится воспоминаниями Феринга.

Фото Rijksuniversiteit Groningen.

Жан-Пьер Саваж использовал ион меди для объединения молекул механической связью.

Иллюстрация Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences/перевод "Вести.Наука".

Группы Саважа и Стоддарта создали версии молекул, похожие на символы различных культур: a) кельтский трилистный узел или символ христианской Троицы, b) итальянские кольца Борромео, c) Узел Соломона.

Иллюстрация Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences/перевод "Вести.Наука".

Стоддарт создал молекулярный челнок, который может передвигаться вдоль молекулярной оси.

Иллюстрация Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences/перевод "Вести.Наука".

Молекулярный лифт Стоддарта.

Иллюстрация Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences/перевод "Вести.Наука".

Саваж создал две соединённые молекулярных петли, которые могут растягиваться и сокращаться подобно искусственной мышце.

Иллюстрация Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences/перевод "Вести.Наука".

Феринга создал первый молекулярный двигатель, который был сконструирован таким образом, чтобы вращаться только в одном направлении. Его группа в итоге оптимизировала конструкцию, чтобы она вращалась со скоростью 12 миллионов оборотов в секунду.

Иллюстрация Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences/перевод "Вести.Наука".

Наномашина Феринги с четырьмя "колёсами".

Иллюстрация Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences/перевод "Вести.Наука".

Нобелевская неделя продолжается. Сегодня стали известны имена лауреатов Нобелевской премии по химии: Жан-Пьер Саваж из Франции (Jean-Pierre Sauvage), сэр Джеймс Фрейзер Стоддарт из Шотландии и Бернард Феринга из Нидерландов.

Нобелевская премия по химии 2016 года присуждена троим учёным за "проектирование и синтез молекулярных механизмов". На сайте Нобелевского комитета сказано, что эти исследователи первыми разработали самые маленькие механизмы в мире — молекулы с контролируемыми движениями, которые могут выполнять различные задачи при подаче энергии.

Миниатюризация технологий привела к настоящей революции. Нобелевские лауреаты по химии 2016 года уменьшили механизмы настолько, что вывели химию на абсолютно новый уровень.

Первый шаг на пути к молекулярному механизму был сделан Саважем в 1983 году, когда он успешно соединил две петлеобразные молекулы вместе для образования химического соединения, которое впоследствии назвали катенаном. Поясним, что катенаны – это класс веществ, состоящих из двух или более петлеобразных молекул, сцепленных механической связью (в отличие от химической). Как правило, молекулы связаны между собой сильными ковалентными связями, в которых атомы делят электроны, но в этой цепочке (катенан) они были соединены относительно свободной механической связью.

Жан-Пьер Саваж использовал ион меди для объединения молекул механической связью.
Иллюстрация Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences/перевод "Вести.Наука".

Любой механизм, способный выполнить какое-либо задание, должен состоять из частей, которые могут двигаться относительно друг друга. Два сцепленных кольца полностью соответствовали этому требованию.

Второй шаг в этом направлении был предпринят Стоддартом в 1991 году, когда он разработал ротаксан. Этот класс соединений включает в себя молекулу гантелевидной формы и кольцеобразную молекулу, "надетую" на неё.

Учёный нанизывал молекулярное кольцо на тонкую молекулярную ось и впервые продемонстрировал, что кольцо в этом случае способно двигаться вдоль оси. Отмечается, что среди разработок учёного на основе ротаксана – молекулярный лифт, первая "молекулярная мышца" и компьютерные чипы на основе молекул.

Группы Саважа и Стоддарта создали версии молекул, похожие на символы различных культур: a) кельтский трилистный узел или символ христианской Троицы, b) итальянские кольца Борромео, c) Узел Соломона.
Иллюстрация Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences/перевод "Вести.Наука".

Феринга – третий сегодняшний лауреат Нобелевской премии по химии – стал первым человеком, который разработал молекулярный двигатель, или мотор (molecular motor). В 1999 году он создал молекулярную лопасть для несущего винта, постоянно вращающуюся в одном направлении.

Впоследствии используя молекулярный мотор, он вращал стеклянный цилиндр, который был в десять тысяч раз больше, чем сам микроскопический двигатель. Учёный также создал первую двигающуюся наномашину.

С точки зрения развития молекулярные двигатели сейчас находятся на той же стадии, что и электрический двигатель в 1830-х годах. Тогда учёные продемонстрировали различные вращающиеся рукоятки и колеса и ещё не знали, что разработки приведут к появлению электропоездов, стиральных машин, вентиляторов и кухонных комбайнов. Одним словом, всего того без чего современное общество представить себе невозможно.

Наномашина Феринги с четырьмя "колёсами".
Иллюстрация Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences/перевод "Вести.Наука".

Молекулярные механизмы, вероятнее всего, в будущем будут использованы при разработке новых "умных" материалов, датчиков или систем хранения энергии. Также учёные давно мечтают о создании микроскопических роботов, которые, к примеру, будут запущены в сосуды человека для поиска раковой опухоли на той стадии, когда пациента ещё можно будет от неё излечить. Сегодня наши читатели знают о таких удивительных разработках, как молекулярный поезд, который передвигается по рельсам из ДНК, и полностью искусственном молекулярном насосе.

Добавим, что Нобелевская премия 2015 года по химии присуждена шведу Томасу Линдалю, американцу Полу Модричу и турецкому генетику Азизу Санкару за открытие молекулярного механизма репарации, с помощью которого клетки ремонтируют повреждённую ДНК и сохраняют генетическую информацию.

Напомним, что с понедельника началась Нобелевская неделя, тогда же объявили лауреата премии по физиологии и медицине: им стал японский учёный Ёсинори Осуми. День спустя стали известны Нобелевские лауреаты по физике: награждены будут сразу трое учёных, открывшие дверь в неизведанный мир.

Сама же церемония награждения состоится 10 декабря – в день кончины основателя Нобелевской премии, шведского предпринимателя и изобретателя Альфреда Нобеля.