Восстание невидимых машин: за что дали Нобелевскую премию по химии в 2016 году?

Что такое машина в максимально общем понимании этого термина? Это устройство, заточенное под определённые операции, способное их выполнять "в обмен" на топливо. Машина может вращаться, поднимать или опускать какой-либо объект, может даже работать в роли насоса.

Но насколько малой может быть такая машина? Например, некоторые детали механизмов часов выглядят совсем уж крошечными — может ли что-то быть меньше? Да, безусловно. Физические методы позволяют вырезать шестерёнку диаметром в пару сотен атомов. Это в сотни тысяч раз меньше, чем знакомый по школьной линейке один миллиметр. В 1984 году нобелевский лауреат Ричард Фейнман задал физикам вопрос о том, насколько маленьким может быть механизм с подвижными частями. 

Фейнман был вдохновлён примерами из природы: жгутики бактерий, позволяющие этим мельчайшим организмам двигаться, вращаются благодаря комплексу, состоящему из нескольких молекул белков. Но может ли человек создать что-то подобное?

Молекулярные машины, состоящие, возможно, из всего одной молекулы, кажутся чем-то из области фантастики. В самом деле, мы только недавно научились манипулировать атомами (известный эксперимент IBM произошёл в 1989 году) и работать с одиночными неподвижными молекулами. Для этого физики создают огромные установки и тратят невероятные усилия. Тем не менее химики нашли путь, позволяющий сразу создавать квинтиллионы таких устройств. Именно он и стал предметом Нобелевской премии 2016 года.

Главной проблемой в создании машины, состоящей из одной молекулы, является химическая связь. Именно то, что связывает все атомы молекулы воедино, мешает ей иметь подвижные части. Для того чтобы разрешить это противоречие, химики "придумали" новый тип связи — механический.

На что похожи механически связанные молекулы? Представим себе большую молекулу, атомы в которой выстроились в кольцо. Если продеть через неё другую цепочку атомов и тоже замкнуть её в кольцо, мы получим частицу, которую невозможно разделить на два кольца, не разорвав химических связей. Получается, что с точки зрения химии эти кольца связаны, но настоящей химической связи между ними нет. Кстати, такую конструкцию назвали катенаном, от латинского catena — цепь. Название отражает то, что такие молекулы похожи на звенья цепочки, соединённые между собой.

Лауреат из Франции, Жан-Пьер Соваж, получил премию во многом за прорывные работы, касавшиеся методов синтеза катенанов. В 1983 году учёный придумал, как можно подобные молекулы получать целенаправленно. Он не стал первым, кто синтезировал катенан, но метод темплатного синтеза, предложенный им, используется и в современных работах.

Есть и другой класс механически связанных соединений, он называется ротаксаны. Молекулы таких соединений состоят из кольца, сквозь которое продета цепочка атомов. На концах этой цепочки химики помещают специальные "затычки", не позволяющие кольцу соскользнуть с цепи. Ими занимался другой нобелевский лауреат этого года, сэр Джеймс Фрейзер Стоддарт. Кстати, урождённый шотландец Стоддарт является обладателем титула рыцаря-бакалавра. Посвятила его в рыцари сама королева Елизавета II за его работы по органическому синтезу. Впрочем, сейчас Стоддарт работает в США, в Северо-западном университете.

В этих классах соединений отдельные фрагменты могут свободно перемещаться друг относительно друга. Кольца катенанов могут свободно вращаться друг относительно друга, а кольцо на ротаксане способно скользить вдоль цепочки. Это делает их хорошими кандидатами на роль молекулярных машин, которыми заинтересовался Фейнман. Однако, чтобы эти конструкции можно было так назвать, от них необходимо добиться ещё одного — управляемости.

Специально для этого химики воспользовались базовыми идеями электростатики: если сделать одно из колец заряженным, а на втором кольце (или цепочке) поместить фрагменты, которые могут изменять свой заряд под действием внешних воздействий, то можно заставить кольцо отталкиваться от одной области кольца (или цепочки) и перемещаться к другой. В первых экспериментах учёные научились заставлять молекулярные машины выполнять подобные операции с помощью химических воздействий. Следующим шагом стало использование для тех же целей света, электрических импульсов и даже просто тепла — эти способы передачи "топлива" позволили ускорить работу машин.

Отдельно стоит выделить работу третьего лауреата, Бернарда Феринги. Голландскому химику удалось обойтись без механически связанных молекул. Вместо этого учёный нашёл способ заставить вращаться молекулы соединения, содержащего традиционные химические связи. В 1999 году Феринга продемонстрировал молекулу, похожую на две соединённых между собой лопасти. Каждая из этих лопастей пыталась отталкиваться друг от друга, а их несимметричная форма делала выгодным вращение лишь в одном направлении, словно бы на "оси" между этими лопастями находился храповик. 

Для того чтобы заставить молекулу работать как ротор, было достаточно просто посветить на неё ультрафиолетом. Лопасти начинали вращаться друг относительно друга в строго заданном направлении. Позднее химики даже закрепили такие молекулы-роторы на огромной (по сравнению с самим ротором) частице и таким образом заставили её вращаться. Кстати, скорость вращения свободного ротора может достигать десятка миллионов оборотов в секунду.

С помощью этих трёх простейших молекул химики смогли создать целый набор разнообразных молекулярных машин. Одним из самых красивых примеров является молекулярная "мышца", представляющая собой странный гибрид катенана и ротаксана. При химических воздействиях (добавлении солей меди) "мышца" сокращается на два нанометра.

Другой вариант молекулярной машины — "лифт", или подъёмник. Его представила в 2004 году группа Стоддарта на основе ротаксанов. Устройство позволяет поднимать и опускать молекулярную площадку на 0,7 нанометра, производя "ощутимое" усилие в 10 пикопаскалей.

В 2011 году Феринга показал концепцию четырёхроторной молекулярной "машины", способной ездить под действием электрических импульсов. "Наномашину" не только удалось построить, но и удалось подтвердить её работоспособность: каждый оборот роторов и в самом деле немного менял положение молекулы в пространстве. 

Хотя эти устройства выглядят занимательными, необходимо вспомнить о том, что одним из требований Нобеля к лауреатам была важность открытий для науки и человечества. Отчасти на вопрос "а зачем это нужно?" ответил Бернард Феринга, когда ему сообщили о награде. По словам химика, имея подобные управляемые молекулярные машины, становится возможным создание медицинских нанороботов. "Представьте себе крошечных роботов, которых доктора будущего смогут ввести в ваши вены и направить на поиск раковых клеток". Учёный отметил, что чувствует себя так же, как, вероятно, чувствовали себя братья Райт после первого полёта, когда люди спрашивали их о том, зачем могут быть вообще нужны летающие машины.

Материалы по теме:

Нобелевскую премию по химии наконец присудили химикам

Сдвиг по фазе: за что дали Нобелевскую премию по физике в 2016 году?

Аутофагия: за что дали Нобелевскую премию по медицине в 2016 году?

Профессор МГУ: Эту Нобелевскую премию должен был получить российский физик

Врач: Лауреат Нобелевской премии сделал шаг к открытию лекарства от слабоумия