Нобелевскую премию за исследования в области химии в 2016 году получат Жан-Пьер Соваж (Jean-Pierre Sauvage) из Страсбургского университета, Фрейзер Стоддарт (Sir J. Fraser Stoddart) из Северо-Западного университета в Иллинойсе и Бернард Л. Феринга (Bernard Lucas Feringa) из Гронингенского университета. Премия им присуждена «за проектирование и синтез молекулярных машин».
Фактически эти ученые сумели создать молекулы, которые при наличии источника энергии способны совершать управляемые движения, то есть производить работу. Задолго до ученых молекулярные машины создала природа. Живая клетка – огромный комплекс молекулярных машин, выполняющих самые разные функции. Процессы клеточного метаболизма, передача генетической информации – все это контролируется множеством белковых молекул, которые мы называем ферментами.
Возможность создания искусственных наномашин предсказал в 1959 году знаменитый физик Ричард Фейнман, заявивший на ежегодном заседании Американского физического обшества: «Принципы физики не отвергают возможности маневрирования объектами на атомном уровне» («The principles of physics do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom»). В 1986 году появилась знаменитая книга инженера и футуролога, «отца нанотехнологий» Эрика Дрекслера «Машины созидания», где предсказывалось создание наноробота-«сборщика», который будет манипулировать с объектами на уровне отдельных молекул и атомов.
Первым шагом к созданию искусственных молекулярных машин стал синтез Жаном-Пьером Соважем в 1983 году молекулы из класса катенанов (от лат. catena «цепь»). Такие молекулы представляют собой два сцепленных кольца, таким образом связь двух частей молекулы у них происходит не за счет притяжения разных электрических зарядов и не за счет образования общей электронной пары двух атомов, а чисто механически, подобно двум соседним кольцам цепи. Такой тип связи оставляет значительно больше степеней свободы в движениях двум компонентам молекулы.
Пример молекулы катенана
Первые катенаны были синтезированы еще в 50-х и 60-х годах, но их молекулы были слишком малы, чтобы использовать их в молекулярных машинах. Жан-Пьер Соваж пришел к созданию своего катенана, изначально занимаясь исследованиями в совсем другой области. Он интересовался фотохимией, изучая соединения, которые способны получать энергию из солнечного света и использовать ее для химических реакций. В структуре одного из таких соединений он обнаружил два молекулярных кольца, переплетенные вокруг центрального иона меди. Используя эту молекулу как модель, Соваж и его коллеги сначала синтезировали молекулу, где ион меди стягивал между собой «кольцо» и «полумесяц». Затем они добавили к «полумесяцу» второй, получив два кольца. Наконец, им удалось удалить центральный ион меди, получив в итоге катенан из двух колец.
Синтез катенана с использованием иона меди
Важным показателем эффективности химического синтеза служит процент целевого вещества в продуктах реакции. На раннем этапе синтеза катенанов выход не превышал нескольких процентов, в лаборатории Жана-Пьера Соважа за счет использования иона меди при объединении молекул процент выхода подняли до 42 %. Благодаря методу Соважа исследования в области так называемой топологической химии активизировались, и ученые начали получать все более сложные катенаны, имеющие вид длинных цепочек или узлов из нескольких колец. В частности, Соваж получил молекулу в виде тройного узла (a.), Стоддарт – в виде «колец Борромео» (b.), а совместно эти двое ученых синтезировали молекулу в форме «узла Соломона» (c.).
Различные формы, которые могут иметь молекулы катенанов
В 1994 году исследовательская группа Соважа смогла получить катенаны, в которых одно кольцо могло при получении энергии совершать один оборот вокруг другого. Это был первый «зародыш» небиологических молекулярных машин.
Вторым шагом к молекулярным машинам стало создание Фрейзером Стоддартом в 1991 году соединения из группы ротаксанов (от лат. rotare «вращать»). В молекуле этих веществ кольцевая часть надета на линейную молекулу. Под действием тепловой энергии кольцо может двигаться на своей оси вперед и назад. Ротаксаны были известных тоже еще с 1960-х годов, но до Стоддарта никто не пытался управлять движениями этих молекул.
Структура ротаксана
Формулы простых катенанов и ротаксанов
К 1994 году ученый смог полностью контролировать движения кольца в молекуле ротаксана. Это позволило Стоддарту на основе молекул ротаксанов разной формы собрать первые машины. В 2004 году он создал молекулярный лифт, который поднимался на высоту 0,7 нанометра. А в 2007 году – молекулярный мускул, сгибающий сверхтонкую золотую пластинку.
«Молекулярный лифт» Фрейзера Стоддарта
Вместе с другими исследователями Стоддарт создал и компьютерный чип на 20 килобайт на базе молекулы из класса ротаксанов. Ученые полагают, что в будущем компьютерная память на основе химической структуры молекулы вытеснит современные кремниевые запоминающие устройства благодаря своей миниатюрности.
С ротаксанами работал и Жан-Пьер Соваж. В 2000 году в его лаборатории была создана молекула из двух сплетенных петель, напоминающая эластичные волокна мышц. При наличии «двигателя» такая структура способна попеременно сжиматься и расживаться.
Ротаксановые «мышечные волокна»
Созданием же самих молекулярных двигателей занялся Бернард Феринга. Первый такой двигатель он получил в 1999 году, заставив молекулу вращаться только в одном направлении, а не хаотически, как это обычно происходит. Структура этой молекулы напоминала колесо ротора с двумя лопатками. А вращалась она под действием ультрафиолетового излучения. К каждой лопатки была присоединена метильная группа, не дававшая молекуле поворачиваться в обратном направлении.
Схема работы «молекулярного ротора», который синтезировал Бернард Феринга
К 2014 году Феринга и его сотрудники заставили свой двигатель вращаться со скоростью 12 миллионов оборотов в секунду. В 2011 году эта же исследовательская группа создала «наноавтомобиль», в котором четыре молекулярных ротора работали в качестве колес, отталкиваясь от твердого субстрата. В третьем эксперименте ученые заставили молекулярную машину вращать стеклянный цилиндр длиной 28 микрометров.
«Наноавтомобиль»
Сейчас появляются все более совершенные небиологические молекулярные машины. Например, появившийся в 2013 году наноробот на основе ротаксанов, который может захватывать и соединять аминокислоты.