Как устроена молекулярная машина?
Владик Аветисов
Вы слышите два слова: «молекула» и «машина». Последнее как будто бы понятно. Машин вокруг нас много. Слово «машина» у обычного человека связано с механикой, с механическим устройством, выполняющим определенную функцию. Подъемный кран – это машина, автомобиль – тоже. Правда, есть еще вычислительные машины, но давайте их отставим в сторону.
Утверждать, что какой-то атом или небольшая молекула – это машина, нельзя. Там не может быть механики или ее подобия. А где она может появляться? Где случайные изменения формы объекта из-за флуктуаций существенно меньше размера самого объекта? Это наномасштабы и молекулярные структуры наномасштабов.
Любая машина даже в таких малых масштабах интуитивно ассоциируется с механическим перемещением. Первые попытки создать молекулы, у которых была бы какая-то схожесть с механическими устройствами, начались в конце 1960-х.
Один из ранних примеров – просто механически зацепить две кольцевые молекулы одну за другую, как два кольца в цепи. Это Жан-Пьер Соваж придумал. Такие структуры называются «катенаны», от латинского catena – «неразрывная цепь». Затем заставить одно кольцо вращаться внутри другого. Можно надеть такое кольцо на молекулу стержневой формы и заставить двигаться вдоль. Кольцо можно подтолкнуть: например, зарядить его и поместить в электрическое поле. Вот у вас уже машина, ее ротаксаном назвали. Это Фрезер Стоддарт сделал.
Какие механоподобные движения у молекул еще бывают?
Конечно, вращение. Бернард Феринга придумал такую молекулярную структуру, которая преобразует энергию во вращение. Она называется «молекулярная рота», именно такой функциональный элемент используется как двигатель в тех молекулярных машинах, которые участвовали в недавних гонках.
Как это устроено?
Молекулярная рота представляет собой спиралеобразную конструкцию с двумя лопастями. Там все так устроено, что при импульсном освещении лопасти могут разворачиваться относительно друг друга в одном и том же направлении: сначала первая относительно второй, потом вторая относительно первой и т.д. В результате получается направленное вращение, как у лопастей винта. Используя такую молекулярную роту, можно организовать механическое перемещение за счет поворота лопастей роты.
Очень похоже на то, как крутится колесо у мельницы, если на нее лить воду.
В данном случае льется не вода, а импульсы света. Если вы создали такую конструкцию, то можете сделать молекулярный автомобиль, где вращающиеся лопасти представляют собой колеса. Дальше вы просто делаете шасси, на это шасси крепите колеса, которые одновременно являются еще и двигателями. Ведь если вы их освещаете, они крутятся, машина начинает ехать.
Машина может передвигаться только под воздействием луча света?
Необязательно. Вечных двигателей, конечно, не существует, поэтому вы должны подавать энергию внутрь устройства, но способов возбуждения может быть несколько. В обычном двигателе в камеру сгорания поступает топливо. Оно сгорает и выделяет энергию. Раскаленный газ толкает поршень. В случае с молекулярными машинами в роли топлива может выступать энергонасыщенная молекула. Если ее разрезать, то есть разорвать определенную химическую связь, то выделяется энергия, которая возбуждает окружение в той части молекулярной машины, которую условно можно назвать камерой сгорания.
Несколько групп ученых сумели сделать свои машины Феринга, используя разные химические соединения для вращающихся лопастей. С этого и начались гонки.
Зачем научное достижение подается как шоу?
Это реклама для привлечения финансирования в развитие, ведь такие исследования очень дорогие. Сегодня много групп ученых занимаются конструированием самых разных молекулярных машин, не обязательно таких, какую сделал Феринга.
В чем еще сложность?
Работа на атомно-молекулярном уровне – чрезвычайно тонкая химия. И в этом существенное ограничение, потому что совершенно непонятно, может или нет из этого получиться продукт, привлекательный для рынка. Любое производство, в частности и научно-технические революции, в целом возникают тогда, когда идеи переходят в массовое производство. Если вы сделаете единственный мобильный телефон, то это, конечно, станет выдающимся достижением, но никакой научно-технической революции не произойдет. Она случится, когда научное достижение будет востребовано в виде миллионов копий. Сейчас молекулярные машины являются уникальными образцами, они создаются исключительно дорогими изощренными методами, и в этом смысле про научно-техническую революцию говорить рано. Это пока выглядит как забавная игрушка и реального применения не имеет.
Нобелевскую премию по химии в 2016 году получили Жан-Пьер Соваж, Бернард Феринга и Фрезер Стоддарт с формулировкой «за проектирование и синтез молекулярных машин»
В чем же тогда ее ценность?
В том, что нарабатывается технологический опыт. Вспомните, когда начиналось самолетостроение, братья Райт сделали первые бипланы. Это были единичные образцы, которые разваливались в воздухе после пяти минут полета, пока не стало ясно, как возникает подъемная сила, не наработался необходимый конструкторский опыт и не возникла технология производства самолетов.
А как дела обстоят в России?
Молекулярные машины – чрезвычайно сложная технология, совершенно уникальная, а у нас в стране с технологической базой пока слабо. Активного развития это направление у нас не имеет. У нас негде, да особенно и некому, это делать. Современное состояние и синтетической, и лабораторной базы довольно слабое и для таких вещей не подготовлено.
Отмечалось, что молекулярные машины могут применяться в медицине, доставляя лекарство в определенную часть организма. Или, например, если поцарапали автомобиль, молекулы могут восстановить краску и структуру кузова. Большие возможности. Разве это не может быть стимулом?
С точки зрения возможного практического применения горизонты действительно исключительно широкие. Но давайте вернемся в реальность. Мы от самозатягивающихся царапин на автомобилях еще далеко. Скажите, а где вообще в природе мы видим молекулярные машины?
Думаю, везде.
На самом деле это не совсем так. Молекулярные машины в огромном количестве существуют в живой природе. Вся биология устроена на молекулярных машинах, а вне живой природы их нет.
Получается, деревья – это молекулярная машина, а дом – нет?
В первых в мире гонках на молекулярных машинах приняли участие команды исследователей из США, Японии, Швейцарии, Германии, Франции и Австрии. Они должны были преодолеть трассу длиной 100 нанометров (0,0001 миллиметра), управляя своими молекулярными «болидами» с помощью сканирующих туннельных микроскопов и электрических импульсов.
Первой к финишу пришла сборная из Университета Райса (США) и Грацского университета (Австрия) с молекулярной машиной под названием «дипольный гонщик». За четыре часа она преодолела расстояние 450 нанометров со средней скоростью 90 нанометров в час. К слову, чтобы проехать сантиметр на такой скорости, необходимо 11,5 года.
Совершенно верно, но человек хочет делать молекулярные машины, которые бы работали вне биологии, хочет создавать уникальные материалы и работать на уровне очень точной сборки тех структур, которые он может себе мысленно представить. А для этого ему нужны инструменты, с помощью которых он работал бы на этом уровне, скажем так, атомном. Это и есть молекулярные машины. Если в руках в качестве инструмента есть молекулярные машины, то с их помощью можно делать самые чудесные вещи: «залечивать» царапины на автомобиле, уничтожать раковые клетки в организме, синтезировать уникальные материалы, которые невозможно синтезировать обычными методами и так далее. Если вы умеете точно работать на атомном уровне, оперируя атомами и молекулами, как конструктором «Лего», вы можете получать массу чудесных вещей. Все эти чудеса, о которых вы говорили, – это то, что можно было бы делать с этими молекулярными машинами.
Умей мы и обладай соответствующими технологиями…
Да. Проблема заключается в том, чтобы освоить технологию создания молекулярных машин. Сначала научиться создавать такие устройства, а потом научиться эти устройства производить, причем в поточном режиме. Пока мы имеем дело только с уникальными образцами человеческого творчества в этой области.
По-вашему, как много должно пройти времени, прежде чем человечество сможет производить молекулярные машины?
Если взять в качестве примера развитие модной сегодня робототехники, то здесь длинная история развития этого навыка у человека. Сначала он делал крайне примитивные вещи, потом – посложнее, потом – еще сложнее... И только спустя длительное время люди наконец пришли к промышленному производству экзоскелетов или беспилотников. В сфере молекулярных машин человек пока идет по пути накопления опыта, по пути проб и ошибок. Это медленный процесс, и его невозможно ускорить даже большими вложениями денег.
На ваш взгляд, в нефтехимии какие перспективы применения молекулярных машин?
Нефтехимия связана с производством синтетических материалов. Нефть может рассматриваться как исходное сырье. А как его переработать и во что – здесь молекулярные машины могут сыграть важную роль. Они могут утилизировать полимерные отходы.
С их помощью можно разрабатывать полимерные материалы. Ведь биологические молекулярные машины могут собирать такую полимерную структуру, как ДНК, а ДНК – это полимер длиной почти метр. Представим себе, что нам удалось сделать молекулярную машину, которая собирает такой полимер. Только одно его создание в промышленных масштабах станет научно-технической революцией. Из полимеров такой длины можно делать супертонкий и суперпрочный материал, например, искусственную кожу или крылья самолетов с уникальными прочностными свойствами.
Юрий Сушинов
