Ученые придумали коробку передач для наномашин

В 2016 году лауреатами Нобелевской премии по химии стали ученые, создавшие молекулярные машины. Эти механизмы могут обеспечить бесперебойную работу в самых маленьких масштабах. Однако нанодвигатели могут делать это только в одном направлении. Сотрудникам Национального центра научных исследований при Институте Садрона (Франция) во главе с профессором Николя Джизеппоне (Nicolas Giuseppone) из Страсбургского университета удалось разработать еще более сложные молекулярные машины, работающие в обоих направлениях.

Молекулярные моторчики могут совершать повторяющееся механическое движение за счет внешнего источника энергии, например, химического или светового источника, наряду с броуновским движением (беспорядочное и хаотичное движение частиц твёрдого вещества). Тем не менее, эти нанодвигатели подвергаются столкновениям с другими молекулами со всех сторон. Это мешает добиться от них направленной и, следовательно, полезной механической работы. Первые молекулярные моторы 2000-х годов использовали принцип «броуновского храповика», при котором они, словно шестеренки, не могли двигаться в обратном направлении.

Исследовательская группа нашла решение для обращения молекулярных двигателей вспять. Ученые добились этого путем подключения двигателей к молекулярным модуляторам с помощью полимерных цепей. При этом была разработана математическая модель, чтобы понять поведение всего этого соединения. При воздействии ультрафиолетового облучения, моторчики начинают двигаться, а модуляторы остаются неподвижными. Полимерные цепи создают поток воздуха вокруг себя, скручиваются и сокращаются, словно резина. Явление можно наблюдать в макроскопическом масштабе. Под действием видимого излучения на молекулы, двигатели останавливаются и модуляторы активируются. Механическая энергия, накопленная в полимерных цепях, разворачивает модуляторы в противоположном направлении, и материал расширяется.

Ученые продемонстрировали, что темп и скорость работы молекулярных двигателей также могут регулироваться с помощью комбинации из ультрафиолетового и видимого излучений. Это похоже на коробку передач в автомобиле. На текущий момент команда специалистов пытается использовать полученные результаты для разработки фотомеханических устройств, которые смогут обеспечить механическую работу под действием света.