Развитие самых разных наномеханизмов и наномашин открывает широкие перспективы для прогресса в области медицины и техники. В то время как производство этих весьма уникальных устройств налажено достаточно эффективно, вопрос обеспечения их энергией остается актуальным. Недавно ученые из Кембриджского университета добились значительного прорыва в этом направлении, создав самые миниатюрные в мире двигатели, работающие на световой энергии. Эти устройства, названные ANT (actuating nano transducer), могут стать основой для реализации футуристических идей, таких как те, что были показаны в научно-фантастическом фильме “Фантастическое путешествие” 1966 года, где микроскопическая подводная лодка перемещалась по кровеносным сосудам, удаляя тромб.
Фильм от реальности будет отличаться лишь одним – для управления крошечным наноботом не будет требоваться человека-пилота, уменьшенного в размерах при помощи некоей фантастической технологии. Более того, нанодвигатели, как и реальные муравьи, могут вырабатывать достаточно большую силу относительно своего веса и перемещать большое количество полезного груза.
Нанодвигатель ANT работает подобно пружинному механизму. Основу двигателя составляет множество золотых наночастиц, скрепленных при помощи полимерного гелеобразного вещества, которое реагирует на изменения температуры. Свет лазера нагревает золотые наночастицы, повышение температуры приводит к быстрому удалению молекул воды из гелеобразного вещества и это вещество сжимается, словно пружина. Получается, что устройство аккумулирует энергию света и сохраняет ее в виде упругой кинетической энергии сжатой “пружины”.
После отключения лазерного света устройство быстро охлаждается и интенсивно поглощает воду из окружающей среды. Материал расширяется, высвобождая накопленную в нем энергию, а наличие золотых наночастиц увеличивает действие этого эффекта и значение создаваемой двигателем силы.
Следует отметить, что процесс расширения наномеханизма происходит очень быстро, подобно своего рода микровзрыву. Это, в свою очередь, происходит из-за влияния так называемых сил Ван-дер-Вальса, которые возникают между молекулами вещества. Такие силы практически не проявляются на обычном уровне, но на микро- и наноуровне их влияние весьма велико. Именно благодаря этим силам гекконы могут спокойно бегать по стенам и потолку, используя миллиарды крошечных волосинок, покрывающих поверхность их конечностей.
Как упоминалось немного выше, нанодвигатель ANT аккумулирует энергию света, а ее большая часть преобразуется в энергию притяжения между наночастицами из тяжелого металла и молекулами гелеобразного вещества. Поэтому, при разрыве этих сил энергия “развертывания” пружины становится в несколько раз больше, нежели просто энергия сжатого материала. К сожалению, в настоящее время энергия “пружины” выделяется сразу во всех направлениях и исследователи заняты поиском метода, который позволит “сфокусировать” эту энергию в одном направлении, подобно тому, как это делает поршень парового двигателя или двигателя внутреннего сгорания.
Если ученым удастся найти метод направления энергии двигателя ANT в “нужное русло”, то эти нанодвигатели вполне будут способны приводить в движение крошечных наноботов, которые будут доставлять к месту назначения лекарственные препараты или принимать участие в микрохирургических операций, выступая в роли дистанционно управляемых инструментов. А сейчас группа из Кембриджского университета занимается тем, чтобы на основе ANT-двигателей сделать управляемые насосы и клапаны, предназначенные для микропотоковых жидкостных чипов, чипов, используемых влабораториях-на-чипе, диагностическом оборудовании и биодатчиках.
Дополнительный пример нанодвигателя
Julián Valero
Молекулы со структурой катенана представляют собой два кольцевых молекулярных фрагмента, механически между собой соединенных в цепочку. Химической связи между двумя элементами молекулы не образуется и связаны они оказываются только топологически. Известно, что молекулы с подобной цепочечной структурой могут быть образованы как углеводородным скелетом с ароматическими и гетероциклическими группами, так и, например, молекулами ДНК. За счет возможности свободного вращения колец в такой структуре катенаны и родственные им ротаксаны часто используются в качестве элементов молекулярных машин. Например, именно благодаря подобным молекулам работают молекулярные турникеты и некоторые типы молекулярных насосов.
Группа немецких и американских химиков под руководством Микаэля Фамулока (Michael Famulok) из Боннского университета синтезировала биогибридный молекулярный мотор с катенановой структурой, который состоит из двух кольцевых цепочек ДНК и способен двигаться по заранее заданному маршруту. Каждое из колец в синтезированном катенане имеет свою функцию: большое кольцо, состоящее из 210 пар нуклеотидов, служит вращающимся «колесом», а маленькое кольцо из 168 пар нуклеотидов — своеобразным моторчиком для этого колеса. Вращение колеса осуществляется за счет фермента, присоединенного одновременно к обеим цепочкам ДНК, — РНК-полимеразы, работа которой осуществляется за счет гидролиза нуклеозидтрифосатов (например, АТФ). Размер всей системы составляет около 30 нанометров.
Схематическое изображение структуры наномотора, состоящего из двух колец ДНК и фермента. J. Valero et al./ Nature Nanotechnology
Побочным продуктом при работе мотора становится молекула РНК, которая остается прикрепленной к ферменту. Эту цепочку ученые предлагают использовать для того, чтобы заставить катенановый наномотор двигаться по заранее заданному маршруту.
Изображения катенановых наномоторов, полученные с помощью атомно-силовой микроскопии. J. Valero et al./ Nature Nanotechnology
В качестве направляющих для движения мотора авторы исследования предложили использовать нанотрубки из ДНК, к которым с определенным интервалом прикреплены небольшие одноцепочечные олигонуклеотиды. Изначально неподвижное кольцо молекулярного мотора закрепляется в одной из позиций на нанотрубке, после чего запускается вращение роторной части мотора и синтезируемая при этом молекула РНК за счет присоединения к торчащим наружу цепочкам заставляет мотор «перепрыгивать» вдоль нанотрубки. С помощью такого движения ученым удалось переместить наномотор вдоль нанотрубки на расстояние в несколько сотен нанометров.
Ученые отмечают, что предложенная ими архитектура достаточно простая и ее конфигурацию можно менять в зависимости от целей. Таким образом можно получать сложные биогибридные молекулярные машины, состоящие из большого количества элементов, работающих за счет гидролиза нуклеозидтрифосфатов.
Катенаны — не единственный пример сложных молекулярных структур с топологической связью, которая обеспечивается не химическим взаимодействием между атомами, а механически — за счет «запутывания» молекулярной структуры. Например, в прошлом году британские химики синтезировали рекордно сложную молекулу-узел с восемью перекрещиваниями молекулярной цепочки в своей структуре общей длиной 192 атома.
