Есть большие машины, есть маленькие машины, а есть молекулярные машины. Это нано-крошечные коллекции молекулярных строительных блоков, которые вместе составляют машину и управляют различными процессами на клеточном уровне. Биология полна этих естественных молекулярных машин, и теперь наука хочет создать искусственные, которые работают таким же образом.
Если наука добьется успеха, мы сможем ожидать в нашей повседневной жизни значительно меньших машин.Из биологии нам известна молекулярная машина — АТФ-синтаза. Он вращается и в процессе превращает молекулу АДФ в АТФ, который действует как источник энергии для наших клеток.«Это классическая биологическая молекулярная машина, которую можно использовать для вдохновения при работе с искусственными молекулярными машинами», — говорит Сиссель Стенбек Андерсен, постдок факультета физики и химии Университета Южной Дании.
«В конечном итоге мы хотим создать искусственную машину, которая может вращать и запускать процесс. Это звучит очень низкотехнологично и просто, но это не так. Это действительно огромная проблема — отслеживать, как машина вращается и насколько быстро она вращается.
Итак — и если мы хотим извлечь выгоду из молекулярных машин в будущем, мы должны иметь возможность управлять вращением и скоростью », — говорит Сиссель Стенбек Андерсен.Вместе со своими коллегами ей теперь удалось найти одну из педалей акселератора, которая контролирует скорость молекулярной машины.Вместе с доктором Эндрю И. Шер из химического факультета Университета Индианы, США, она является ведущим автором статьи на эту тему в Журнале Американского химического общества.
Руководителями исследований проекта являются профессор Ян О. Джеппесен с факультета физики, химии и фармации Университета Южной Дании и профессор Амар Х. Флад с факультета химии Университета Индианы.Принцип, лежащий в основе молекулярных машин, заключается в том, что вы должны применить какой-то стимул, чтобы заставить их двигаться.
Эта область исследований еще молода, и исследователи все еще пытаются изучить и понять, как происходит движение и с какими препятствиями оно может столкнуться.«Мы пытаемся изучить, что происходит между начальной и конечной точкой в молекулярной машине, и ищем, что может повлиять на скорость. Если мы сможем найти одну или несколько педалей акселератора, которые контролируют увеличение или уменьшение скорости, у нас есть информация, которая мы можем использовать для вставки или снятия педалей акселератора в других частях машины — и это даст нам контроль над скоростью », — говорит Сиссель Стенбек Андерсен.«Мы обнаружили, что на самом деле он движется быстрее, когда расстояние между начальной и конечной точкой больше, чем если бы оно было короче — и это было сюрпризом; вы, конечно, ожидаете, что путешествие на большое расстояние займет много времени и короткое время для преодоления небольшого расстояния.
Когда дорога между началом и остановкой длинная в нашей молекуле, она также мягкая и с меньшим количеством препятствий, и тогда она идет быстрее, чем когда дорога короткая, более неровная и ухабистая. по длине длинная дорога более гибкая — это облегчает растяжение дороги и делает ее более гладкой и с меньшим количеством препятствий. Таким образом, длина дороги становится средством контроля скорости ", — говорит Сиссель Стенбюк Андерсен. .Эксперименты также показали, что скорость значительно увеличивается при увеличении расстояния между точками старта и остановки.«Когда мы удвоили расстояние, скорость была в три раза выше.
А когда мы снова удвоили расстояние, скорость увеличилась до точки, которую мы не могли измерить», — говорит Сиссель Стенбек Андерсен.Работа исследователей была сосредоточена на процессах, которые происходят, когда молекула приводится в движение между начальной и конечной точкой. Теперь они надеются передать это недавно полученное понимание для создания машины, которая может использовать эту кинетическую энергию для управляемого вращения.Как запустить молекулярную машину
Как и всем другим машинам, молекулярным машинам для работы требуется подача энергии. Некоторые исследователи используют химические вещества в качестве источника энергии.
Они вливают в машину одну химическую молекулу, и тогда она запускается. Однако здесь есть одна проблема: химическая молекула может перемещать только исходную молекулу из начальной точки в точку остановки. Когда молекула должна вернуться в исходную точку, исследователям нужно добавить новую химическую молекулу, и это повторяется бесконечно.
Через некоторое время машина загрязняется, и ее необходимо очистить. Тепло и свет также можно использовать в качестве энергии, и есть метод, используемый исследователями из Университета Южной Дании. Они стимулируют молекулу напряжением: одного электрона достаточно, чтобы заставить молекулу двигаться к точке остановки.
Когда напряжение изменится, молекула, естественно, обратится в исходную точку и будет готова к новому удару электрона.