«Нобель» по химии за лего микромира

5 октября были названы имена Нобелевских лауреатов по химии 2016 года. Ими стали ученые Жан-Пьер Соваж, Фрейзер Стоддарт и Бернард Феринга за разработку и создание молекулярных машин. Молекулярные машины — это химические системы, которые могут выполнять самые разнообразные функции: передавать сигналы, обрабатывать информацию, преобразовывать энергию, а также осуществлять процессы механического типа (например, перемещать вещество через мембрану клетки).

«Эти ученые занимались разработкой молекулярных структур, которые выполняют роль наноаналогов известных и используемых в настоящее время технических устройств, например наномашины, нанороторы, системы, способные к саморганизации. Они сделали серьезный вклад. Лучше всего я знаком с работами Стоддарта и Феринга. Феринг, голландский химик, очень известный ученый, продемонстрировал себя хорошо в разных областях, не только в нанохимии, но в области ассиметрического синтеза. Насколько я знаю, подобными работами — молекулярными машинами и самоорганизующимися системами — не занимаются в России", — рассказал корреспонденту Indicator.Ru Валентин Ненайденко, заведующий кафедрой органической химии химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Как все начиналось

В 1984 году Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физике 1965 года, выступая с публичной лекцией, задал аудитории вопрос: возможно ли создавать машины с движущимися частями, размер которых измерялся бы в нанометрах? Ученый был убежден, что это реально. Фейнман предложил несколько подходов к созданию таких устройств, однако на тот момент он не знал, что первый шаг на этом пути был уже сделан.

Французский исследователь Жан-Пьер Соваж занимался фотохимией — наукой, которая изучает изменения молекулярных комплексов, протекающих под действием света в диапазоне от ультрафиолетого до инфракрасного излучения. Когда Соваж создал один из таких комплексов, он понял, что комплекс схож с молекулярной цепью: две молекулы были сплетены вокруг находившегося в центре иона меди. Молекулы в них были соединены сильными ковалентными связями, которые образуются путем обобществления электронов двумя атомами.

Ученый стал создавать комплексы других форм (кольцеобразной, серповидной), после чего смог извлечь из соединения ион меди, уже выполнивший свою миссию (соединение двух молекул вместе). Таким образом Соваж получил комплексы из двух молекул, скрепленных механической связью. Это произошло в 1983 году — за год до выступления Фейнмана. Комплексы называются «катенаны» и представляют собой класс химических соединений, молекулы в которых связаны механически. Это очень важно, так как для того, чтобы молекулярная машина могла выполнить задачу, она должна состоять из частей, которые могут перемещаться относительно друг друга. Две механически связанных кольцевых молекулы как раз удовлетворяют этому требованию.

От катенанов к ротаксанам

Еще один шаг на пути к созданию молекулярных машин сделал американский химик шотландского происхождения Фрейзер Стоддарт, который в 1991 году разработал ротаксан. Молекулярное кольцо в этом соединении как бы надето на осевую молекулу гантелевидной формы. Компоненты ротаксанов (линейная и циклическая молекулы) связаны чисто механически без участия химической связи. Этот способ соединения молекул называется топологической связью. Стоддарт показал, что циклическая кольцевая молекула способна перемещаться вдоль осевой гантелевидной молекулы. Благодаря его разработкам на основе ротаксанов был открыт молекулярный «лифт» (такое название получил молекулярный двигательный элемент), молекулярные «мышцы» и молекулярные компьютерные чипы.

Когда у машины появился мотор

Бернард Феринга же стал первым человеком, разработавшим молекулярный двигатель. В 1999 году он сделал молекулярный мотор (ротор), лопасти которого вращались в одном направлении. Используя молекулярный мотор, он добился вращения стеклянного цилиндра, размером в 10000 раз больше самого мотора. Для этого Феринга использовал несколько хитрых трюков, ведь, как правило, движения молекул регулируются случайным образом в рамках теории вероятности: молекула совершает одинаковое количество оборотов влево и вправо. А Бен Феринга сконструировал молекулу, способную механически вращаться только в одном направлении. Такая молекула состоит из двух плоских химических структур (которые могут рассматриваться как маленькие винтовые лопасти), соединенных двойной связью между двумя атомами углерода. К каждой лопасти «винта» была прикреплена метильная группа (-CH3), и все части работали по принципу трещотки, заставляющей молекулу продолжать вращаться в только в одном определенном направлении. Раз за разом на молекулу последовательно воздействовали импульсами ультрафиолетового излучения, отчего ротор совершал скачкообразные вращение на 180 градусов вокруг центральной оси.

За что же дали «Нобеля»?

Достижения Жан-Пьера Соважа, Фрейзера Стоддарта и Бена Феринги в разработке молекулярных машин привели к появлению целого арсенала химических структур, которые используются химиками по всему миру. В 2011 году исследовательская группа Феринги создала четырехколесный «наноавтомобиль» со встроенным приводом: молекулярный каркас удерживался четырьмя моторами, которые функционировали в качестве колес. В начале двигатель был не очень быстрым, но к 2014 году группа представила его модернизированную версию, моторы в которой вращались со скоростью 12 миллионов оборотов в секунду.

Еще один пример использования таких структур — это молекулярный робот, который может собирать и соединять между собой аминокислоты. Он был разработан в 2013 году на основе ротаксанов. Другие исследователи присоединяли молекулярные моторы к длинным полимерам так, чтобы они формировали сети. Когда на молекулярный мотор попадает свет, они запутывают полимеры в узел. Благодаря этому энергия света сохраняется в молекулах, и, если ученые найдут способ извлекать эту энергию, станет возможным создание нового типа аккумуляторов.

Вдали от равновесия: к новой и яркой химии

Важно помнить, что «нобелевские» молекулярные системы находятся далеко от состояния химического равновесия. Равновесное состояние является самым стабильным для каждого вещества (из-за того, что характеризуется минимальной энергией химической связи), и процессы во всех природных системах протекают с целью достижения состояния равновесия, но никогда его не достигают. Поэтому стремление к равновесию является универсальной движущей силой. Примеры можно найти в повседневной жизни. Когда мы едим, организм извлекает энергию из пищи и выводит молекулярные системы нашего организма из состояния равновесия на более высокие энергетические уровни. Затем биомолекулы используют эту энергию для осуществления жизненно важных химических реакций. Если бы человеческий организм всегда находился в состоянии химического равновесия, это бы означало, что он мертв.

Искусственные молекулярные системы Соважа, Стоддарта и Феринги работают по тем же принципам, что и биомолекулы. Понимание этих процессов дало возможность управлять ими. Таким образом, химия сделала первые шаги в новый мир. А время ясно показало революционный эффект миниатюризации компьютерных технологий: в то время они являлись лишь начальной стадией на пути миниатюризации машин.

С точки зрения развития, молекулярный двигатель сейчас находится примерно на той же стадии, что и электродвигатель в 1830-х годах, когда исследователи с гордостью демонстрировали различные вращающиеся рукоятки и колеса в своих лабораториях, не имея ни малейшего представления, что они приведут к появлению электропоездов, стиральных машин, вентиляторов и кухонных комбайнов. Так, спустя 32 года после дальновидной лекции Фейнмана, мы все еще можем только догадываться о тех захватывающих открытиях, которые ждут впереди. Тем не менее, благодаря открытиям Нобелевских лауреатов, получен ответ на вопрос, насколько маленькие механизмы можно сделать? По крайней мере, в 1000 раз тоньше волоса.