Химики сделали то, о чем давно мечтали физики

Рис. М. Смагина
Рис. М. Сма­ги­на
Михаил Будыка
Миха­ил Буды­ка

В декаб­ре 1959 года Ричард Фей­н­ман на рож­де­ствен­ском обе­де Аме­ри­кан­ско­го физи­че­ско­го обще­ства в Кали­фор­ний­ском тех­но­ло­ги­че­ском инсти­ту­те про­чи­тал лек­цию «Вни­зу пол­ным-пол­но места: при­гла­ше­ние в новый мир физи­ки» [1]. В этой лек­ции Фей­н­ман фан­та­зи­ро­вал (дис­ку­ти­ро­вал для заба­вы: «I would like to discuss, just for amusement») о воз­мож­но­сти мини­а­тю­ри­за­ции раз­ных тех­ни­че­ских устройств — элек­тро­мо­то­ров, авто­мо­би­лей, ком­пью­те­ров (послед­ние в то вре­мя зани­ма­ли целые ком­на­ты), об умень­ше­нии их раз­ме­ров вплоть до ато­мар­но­го уров­ня.

Сей­час, в эру нано­тех­но­ло­гий, эта лек­ция ста­ла зна­ме­ни­той, а тогда к иде­ям Фей­н­ма­на никто не отнес­ся все­рьез — как выяс­нил Крис Тор­ни, в пер­вые два­дцать лет после опуб­ли­ко­ва­ния в жур­на­ле Engineering and Science (в 1960 году) лек­цию цити­ро­ва­ли все­го семь раз [2]. Поэто­му Нобе­лев­скую пре­мию по физи­ке 1965 года Фей­н­ман полу­чил совсем за дру­гое — «за фун­да­мен­таль­ные рабо­ты по кван­то­вой элек­тро­ди­на­ми­ке, имев­шие глу­бо­кие послед­ствия для физи­ки эле­мен­тар­ных частиц» (сов­мест­но с Синъ­и­ти­ро Томо­на­гой и Джу­ли­а­ном Швин­ге­ром).

Но вот хими­ки сде­ла­ли то, о чем меч­тал Фей­н­ман. В 2016 году Нобе­лев­скую пре­мию по химии полу­чи­ли Жан-Пьер Соваж (Jean-Pierre Sauvage), Бер­нард Ферин­га (Bernard Feringa) и Фре­зер Стод­дарт (Fraser Stoddart) — «за дизайн и син­тез моле­ку­ляр­ных машин».

Соваж и Стод­дарт зани­ма­лись син­те­зом и иссле­до­ва­ни­я­ми кате­на­нов и ротак­са­нов — уди­ви­тель­ных соеди­не­ний, в кото­рых отдель­ные части моле­ку­лы соеди­не­ны меж­ду собой не хими­че­ски­ми свя­зя­ми, а меха­ни­че­ски (топо­ло­ги­че­ская связь). В кате­на­нах два (или боль­ше) коль­ца, каж­дое из кото­рых пред­став­ля­ет собой мак­ро­цик­ли­че­ское соеди­не­ние, скреп­ле­ны меж­ду собой как зве­нья коло­дез­ной цепи.

Катенан («Википедия»)
Кате­нан («Вики­пе­дия»)

Ротак­сан — это моле­ку­ляр­ная ган­тель, на кото­рую наде­то моле­ку­ляр­ное коль­цо. Раз­ме­ры голо­вок ган­те­ли подо­бра­ны так, что­бы коль­цо не мог­ло соско­чить со стерж­ня.

Ротаксан («Википедия»)
Ротак­сан («Вики­пе­дия»)

Пер­вые кате­на­ны и ротак­са­ны были син­те­зи­ро­ва­ны еще в 1960-х годах [3]. Но посколь­ку замы­ка­ние мак­ро­цик­лов про­ис­хо­ди­ло веро­ят­ност­но (сто­ха­сти­че­ски), выхо­ды соеди­не­ний не пре­вы­ша­ли несколь­ких про­цен­тов и даже долей про­цен­та. Заслу­га Сова­жа и Стод­дар­та в том, что они, во-пер­вых, при­ме­ни­ли «тем­плат­ный» син­тез кате­на­нов и ротак­са­нов — метод сбор­ки конеч­ной струк­ту­ры по шаб­ло­ну (от англ. template — тра­фа­рет, шаб­лон).

Суть мето­да состо­ит в том, что пре­кур­со­ры — заго­тов­ки состав­ных частей конеч­ной моле­ку­лы — за счет неко­ва­лент­ных вза­и­мо­дей­ствий обра­зу­ют ассо­ци­а­ты, в кото­рых эти заго­тов­ки уже долж­ным обра­зом ори­ен­ти­ро­ва­ны в про­стран­стве друг отно­си­тель­но дру­га — такой про­цесс назы­ва­ет­ся супра­мо­ле­ку­ляр­ной пре­дор­га­ни­за­ци­ей. В воз­ник­шей кон­струк­ции оста­ет­ся толь­ко соеди­нить кон­цы полу­коль­ца — замкнуть цикл — или закре­пить фик­си­ру­ю­щие голов­ки ган­те­ли, поэто­му пре­па­ра­тив­ные выхо­ды соеди­не­ний дости­га­ют 70–80% [4].

Во-вто­рых, Соваж и Стод­дарт пока­за­ли, что отдель­ные части моле­кул ротак­са­на и кате­на­на могут менять рас­по­ло­же­ние «друг отно­си­тель­но дру­га» — совер­шать меха­ни­че­ские дви­же­ния. В ротак­сане коль­цо спо­соб­но сколь­зить по стерж­ню ган­те­ли от одной голов­ки к дру­гой — дви­гать­ся взад и впе­ред, подоб­но чел­но­ку, или вра­щать­ся вокруг стерж­ня. В кате­нане коль­ца спо­соб­ны про­во­ра­чи­вать­ся друг отно­си­тель­но дру­га, при этом вся цепь может сжи­мать­ся и рас­тя­ги­вать­ся.

Механические движения составных частей ротаксана и катенана [5]
Меха­ни­че­ские дви­же­ния состав­ных частей ротак­са­на и кате­на­на [5]
Молекулярный ротор [6]
Моле­ку­ляр­ный ротор [6]
И что самое суще­ствен­ное — эти­ми меха­ни­че­ски­ми дви­же­ни­я­ми мож­но управ­лять путем внеш­не­го воз­дей­ствия, при добав­ле­нии хими­че­ских реа­ген­тов, элек­тро­хи­ми­че­ски или под дей­стви­ем све­та.

Свет явля­ет­ся дви­жу­щей силой и моле­ку­ляр­но­го мото­ра, при­ду­ман­но­го и син­те­зи­ро­ван­но­го тре­тьим лау­ре­а­том пре­мии — Ферин­гой. Рабо­та мото­ра осно­ва­на на хоро­шо извест­ной реак­ции фото­изо­ме­ри­за­ции соеди­не­ний с двой­ной свя­зью — про­из­вод­ных эти­ле­на. Двой­ная связь жест­ко фик­си­ру­ет две части моле­ку­лы, но под дей­стви­ем све­та связь раз­ры­ва­ет­ся — пре­вра­ща­ет­ся в оди­нар­ную, и части моле­ку­лы про­во­ра­чи­ва­ют­ся вокруг этой свя­зи, как ротор вокруг оси. Что­бы вра­ще­ние про­ис­хо­ди­ло толь­ко в одну сто­ро­ну — по или про­тив часо­вой стрел­ки, — моле­ку­ляр­ные рото­ры долж­ны иметь спи­ра­ле­вид­ную струк­ту­ру.

Четырехколесный молекулярный «автомобиль» на поверхности меди [8]
Четы­рех­ко­лес­ный моле­ку­ляр­ный «авто­мо­биль» на поверх­но­сти меди [8]
Четы­ре рото­ра соеди­ни­ли меж­ду собой с помо­щью моле­ку­ляр­но­го шас­си и полу­чи­ли (син­те­зи­ро­ва­ли!) моле­ку­ляр­ный четы­рех­ко­лес­ный «авто­мо­биль» раз­ме­ром 2х4 нм, кото­рый направ­лен­но пере­дви­гал­ся при элек­трон­ном воз­буж­де­нии [7].

Итак, моле­ку­ляр­ные нано­ме­ха­низ­мы, спо­соб­ные совер­шать меха­ни­че­скую рабо­ту, уже скон­стру­и­ро­ва­ны и постро­е­ны (точ­нее, син­те­зи­ро­ва­ны). А что же нано­ком­пью­тер, о кото­ром меч­тал Фей­н­ман? Об этом мы рас­ска­жем в сле­ду­ю­щем номе­ре нашей газе­ты.

Миха­ил Буды­ка,
докт. хим. наук, про­фес­сор, зав. лабо­ра­то­ри­ей орга­ни­че­ской и супра­мо­ле­ку­ляр­ной фото­хи­мии Инсти­ту­та про­блем хими­че­ской физи­ки РАН

1. There’s Plenty of Room at the Bottom. An Invitation to Enter a New Field of Physics. http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html

2. www.nanonewsnet.ru/news/2009/50-let-znamenitoi-lektsii

3. a) Wasserman E. J. /​/​ Am. Chem. Soc. 1960. 82. Р. 4433–4434; b) Harrison I. T., Harrison J. /​/​ Am. Chem. Soc. 1967. 89. Р. 5723–5724.

4. а) Anelli P. L., Ashton P. R., Ballardini R., Balzani V. , Delgado , Gandolfi M. T., Goodnow T. T., Kaifer A. E., Philp D., Pietraszkiewicz M., Prodi L., Reddington M. V., Slawin A. M. Z., Spencer N., Stoddart J. F., Vicent C., Williams D. J. J. /​/​ Am. Chem. Soc. 1992. 114. P. 193–218; б) Weck M., Mohr B., Sauvage J.-P., Grubbs R. H. /​/​ J. Org. Chem. 1999. 64. Р. 5463–5471.

5. Balzani V., Credi A., Ferrer B., Silvi S., Venturi M. Artifi cial Molecular Motors and Machines: Design Principles and Prototype Systems /​/​ Top Curr Chem. 2005. 262. P. 1–27.

6. Koumura N., Zijlstra R. W. J., van Delden R. A., Harada N. and Feringa B. L. Light-driven monodirectional molecular rotor /​/​ 1999. 401. Р. 152–155.

7. Kudernac T. , Ruangsupapichat N., Parschau M., Maciá, Katsonis N., Harutyunyan S. R., Ernst K. H., Feringa B. L. /​/​ Electrically driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surface /​/​ Nature. 2011. 479 (7372). P. 208–221.

8. sciencedaily.com/releases/2011/11/111110092403.htm

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
2 Цепочка комментария
2 Ответы по цепочке
0 Подписки
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
2 Авторы комментариев
Анатолий БерезкинИзраиль Авторы недавних комментариев
  Подписаться  
Уведомление о
Израиль
Израиль

Пре­крас­ное нашей вели­кой Аме­ри­кан­ской нау­ки и нау­ки наших Евро­пей­ских союз­ни­ков по НАТО. Да бла­го­сло­вит Гос­подь США – мой дом, мой слад­кий дом!

Израиль
Израиль

Сле­ду­ет читать «Пре­крас­ное дости­же­ние нашей вели­кой Аме­ри­кан­ской нау­ки» и далее по тек­сту

Анатолий Березкин
Анатолий Березкин

Сколь­ко недель тре­бу­ет­ся нано­тан­ку, что­бы пере­сечь оваль­ный каби­нет?

Израиль
Израиль

Путин «не для того наво­ро­вал 250 мил­ли­ар­дов дол­ла­ров, что­бы само­му пре­вра­тить­ся в горст­ку радио­ак­тив­но­го пеп­ла.» – отсю­да http://www.kasparov.ru/material.php?id=580DEA0A13B47

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: