Создан наименьший молекулярный наномотор
В университете Колорадо ученые разработали модель наномотора, состоящего из одной сложной молекулы, который приводится в движение внешним электромагнитным полем. Как говорят сами разработчики, наномотор больше всего похож на водяное колесо: у на его валу есть две лопасти, а вал "зажат" между двумя молекулами побольше. Наномотор управляем - ученые смогли изменить направление и частоту его вращения, изменяя соответствующим образом электромагнитное поле.
"Лопатки" наномотора, состоящие из нескольких десятков атомов, несут противоположные заряды, вот почему ротор вращается в осциллирующем электрическом поле. Ротор проворачивается по оси химических связей, прикрепляющих его к неподвижному основанию.
Как говорят ученые, наномотор может пригодиться в различных отраслях наноэлектроники, МЭМС-микромашин, биотехнологии, медицины и химического производства. Так, на его основе можно сделать химический наносенсор, молекулярный сортирующий ротор, насосы, перекачивающие жидкости с молекулярной точностью, логический ключ и даже очки, блокирующие лазерный луч.
В марте 2004, группа исследователей, возглавляемых ученым Мишлем, синтезировала одну подобную молекулу-ротор на подложке из золота. Тогда же ученым удалось привести ее в движение, заставив вращаться. Но кроме простого вращения, исследователи не смогли управлять ротором. Также на вращение ротора влияли другие параметры: температура среды, давление и интенсивность светового потока. Однако, как показало моделирование, проведенное в сентябре 2005 года, при изменении частоты внешнего электромагнитного поля, ротор пропорционально изменяет скорость вращения.
Рис. 1. Молекулярный ротор
"Мы очень рады, что компьютерное моделирование обосновало все наши эксперименты и дало ключ к управлению наномотором, - говорит Мишль. - Теперь, получив возможность извне управлять наномотором, мы сможем использовать его в микроэлектронике или медицине".
Пока что моделирование было проведено для трех значений скорости вращения ротора. В модели ученые учли Броуновское движение молекул-оснований, поддерживающих ротор, а также молекулярное точечное трение в местах химических связей, соединяющих ротор с золотым основанием.
Наноротор был смоделирован в программе "Molecular Tinkertoy Kit", разработанной самими учеными еще в 90-х годах прошлого столетия. На платформе этой программы ученые разрабатывали различные наномеханические устройства - стержни, коннекторы, редукторы и другие наноструктуры. Большая часть таких механических систем была смоделирована Эриком Дрекслером в его фундаментальном труде "Nanosystems". Там же он впервые описал наноротор, способный сортировать молекулы, нагнетая в резервуар вещества определенного типа. Таким образом, молекулярный сортирующий ротор Дрекслера (МСР) представляет собой нанонасос, нагнетающий вещества без примесей.
Рис. 2. Молекулярный сортирующий ротор Дрекслера (модель)
Сложные биологические моторы, встречающиеся в природе, в отличие от созданного Мишлем, характеризуются большими размерами. Так, фермент АТФ-синтаза состоит из трех белков-субъединиц, а бактериальный жгутиковый мотор - из большого числа молекул. То, что ученым удалось сделать наномотор меньше встречающихся в природе - уже большое достижение в области нанотехнологий.
Мишль собирается сделать из наномотора насос, нагнетающий газ или жидкость, увеличив площадь "лопаток". Следующий шаг в исследовании наномотора - использование его в качестве генератора электроэнергии. Мишль планирует изготовить ротор с еще большими "лопатками", превратив нанонасос в турбину. Результаты математического моделирования показывают, что это возможно.
Как говорит Мишль, моделирование позволило на ранних этапах исследования "отсеять" заведомо нерабочие проекты. Это гораздо упростило работу над наномотором, прежде чем его синтезировали.
Армия США поддержала проект Мишля для того, чтобы на основе наномоторов сделать очки, защищающие от лазерного излучения. Как предполагает Мишль, излучение лазера заставит ротор повернуться в закрытое положение, блокируя луч.
О своей работе исследователи сообщили в выпуске журнала National Academy of Sciences от 4 октября.
Также исследователи записали видеоролик (2,5 Мб), показывающий, как работает модель наномотора. Его можно посмотреть здесь: http://www.pnas.org/content/vol0/issue2005/images/data/0506183102/DC1/06183Movie1.mpg
Источники:
1. РNAS: New Unidirectional Molecular Rotor May Lead To Tiny Sensors, Pumps, Switches
|
