Наномашины — устройства будущего. Состоящие из очень небольшого количества атомов, они будут размером в миллиардные доли метра. Создание эффективных наномашин, скорее всего, приведет к еще одной цивилизационной революции. Вот почему исследователи всего мира изучают различные молекулы, пытаясь заставить их выполнять механическую работу.
Исследователи из Института физической химии Польской академии наук (IPC PAS) в Варшаве одними из первых измерили эффективность молекулярных машин, состоящих из нескольких десятков атомов. «Все указывает на веру в то, что мощность двигателей, состоящих из одиночных, относительно небольших молекул, значительно меньше, чем ожидалось», — говорит д-р Анджей Живочински из IPC PAS, один из соавторов статьи, опубликованной в журнале Nanoscale.
Молекулярные двигатели, изучаемые в IPC PAS, представляют собой молекулы смектических жидких кристаллов C * -типа, состоящих из нескольких десятков атомов (каждая молекула составляет 2.Длиной 8 нанометров). После осаждения на поверхность воды молекулы в соответствующих условиях спонтанно образуют тончайший из возможных слоев — мономолекулярный слой определенной структуры и свойств. Каждая молекула жидкого кристалла состоит из цепочки, гидрофильный конец которой закреплен на поверхности воды.
Относительно длинная наклонная гидрофобная часть выступает над поверхностью. Итак, мономолекулярный слой напоминает лес с деревьями, растущими под определенным углом.
Свободный конец каждой цепи включает две поперечно расположенные группы атомов разного размера, образующие двухлопастной пропеллер с лопастями разной длины. Когда испаряющиеся молекулы воды ударяются о «пропеллеры», вся цепь начинает вращаться вокруг своего «якоря» из-за асимметрии.
Специфические свойства жидких кристаллов и условия эксперимента приводят к синфазному движению соседних молекул в монослое. Подсчитано, что «участки леса» до одного триллиона (10 ^ 12) молекул, образующие области миллиметрового размера на поверхности воды, способны синхронизировать свое вращение. «Более того, изученные нами молекулы вращались очень медленно.
Один оборот может длиться от нескольких секунд до нескольких минут. Это очень желанная недвижимость.
Если бы молекулы вращались, например, с мегагерцовыми частотами, их энергия вряд ли могла бы передаваться на более крупные объекты », — объясняет д-р Живоцински.
Более ранние оценки мощности молекулярных наномоторов были связаны либо с гораздо более крупными молекулами, либо с двигателями, приводимыми в действие химическими реакциями. Кроме того, в этих оценках не учитывалось сопротивление среды, в которой работали молекулы.
Свободное коллективное вращение молекул жидких кристаллов на поверхности воды можно легко наблюдать и измерять.
Исследователи из IPC PAS проверили, как скорость вращения изменяется в зависимости от температуры; они оценили также изменение (вращательной) вязкости в исследуемой системе. Оказалось, что энергия движения отдельной молекулы, генерируемой за один оборот, очень мала: всего 3.5·10 ^ -28 джоуль.
Это значение в десять миллионов раз ниже энергии теплового движения.
«Наши измерения — это ведро холодной воды для разработчиков молекулярных наномашин», — замечает проф.
Роберт Холист (IPC PAS).
Несмотря на малую мощность, вращающиеся молекулы жидких кристаллов могут найти практическое применение. Это связано с тем, что большой ансамбль совместно вращающихся молекул генерирует соответственно более высокую мощность. Более того, на одном квадратном сантиметре поверхности воды можно разместить множество таких ансамблей с триллионами молекул в каждом.
Это же исследование в IPC PAS включало также сравнение мощности, генерируемой вращающимися молекулами жидких кристаллов, с мощностью одного биологического двигателя — очень большой молекулы, известной как аденозинтрифосфатаза (АТФаза). Фермент играет роль натрий-калиевого насоса в клетках животных. С помощью соответствующих расчетов было установлено, что плотность энергии, генерируемой в единице объема, была примерно в 100000 раз выше для АТФазы, чем для вращающихся жидких кристаллов.
"Потребовались миллионы лет, чтобы эволюция разработала такой эффективный молекулярный насос. Мы, люди, работаем с молекулярными машинами всего пару или, может быть, десяток лет », — комментирует профессор. Холест и добавляет: "Дайте нам немного времени."