После пятилетнего перерыва возобновилась Nanocar Race, уникальное международное мероприятие, сочетающее в себе элементы соревнования и научного эксперимента. Учёные из Германии, Испании, Японии, Франции и ряда других стран состязались в создании самых быстрых нанокаров – очень маленьких молекулярных системах, которые представляют собой одиночные молекулы, состоящие примерно из ста атомов. Nanocar Race, однако, не является традиционным соревнованием. Это скорее платформа для тестирования производительности молекулярных машин и научных инструментов, используемых для их управления. Мероприятие демонстрирует поразительную точность работы с молекулярными структурами. Разработанные в рамках Nanocar Race технологии могут привести к созданию электроники и датчиков значительно меньшего размера. Можно принять молекулярные гонки как шутку учёных, но фактически это одно из немногих научных исследований, за которым может понаблюдать любой человек.

Поэтому на радость публике Nanocar Race решили транслировать в интернете. Идея подобных гонок возникла в 2013 году у старшего научного сотрудника CNRS Кристиана Йоакима (теперь директора гонки) и Гвеена Рапена, профессор химии в Université Toulouse III — Пола Сабатье. Кристиан рассказывал, что изначально он хотел создать молекулу с колёсами. Когда это удалось, он понял, что таким транспортом можно управлять. Тогда он сразу решил устроить гонку между наноболидами.

Опубликовав свои размышления о возможности таких гонок в журнале ACS Nano, учёные объявили приём заявок от команд, желающих принять участие в этом необычном мероприятии. Старт гонки назначили на 2016 год, но затем перенесли на 2017. Такая отсрочка требовалась для того, чтобы команды могли создать конкурентоспособный нанокар. Одновременно с этим решались организаторские вопросы. Нужно было определиться с треком для болидов, ведь трасса должна была подходить для всех типов нанокаров. Кроме того, возникал вопрос с выбором и настройкой микроскопа, который будет снимать заезд.

Командам-участницам также пришлось преодолеть ряд сложных задач (хранение и визуализацию молекул под микроскопом), а также привести свой нанокар в соответствие с требованиями (это касалось структуры молекул и способу движения) для получения допуска к гонке. Из девяти команд допуск к заезду получили лишь шесть.

Первая гонка

Организаторы первой гонки решили, что нанокары будут 36 часов двигаться по покрытому золотом треку, а энергию для движения черпать из слабых ударов током, подаваемых специальным устройством. Для большей сложности трассу сделали искривлённой.

Правила гонки звучали так:

• Место — Тулуза, Франция;
• Трасса: примерно 100 нанометров с двумя поворотами на 45°;
• Продолжительность гонки 36 часов;
• Разрешено заменить нанокар в случае аварии;
• Запрещено подталкивать нанокар;
• Один сектор золотой поверхности на команду;
• Максимум 6 часов на очистку части трассы перед началом гонки;
• Никаких изменений в болид в течение 36 часов.

Несмотря на молекулярную природу, нанокары весьма похожи на настоящие автомобили, у каждого из них будет своего рода кузов, оси и вращающиеся колеса. За каждым нанокаром следовал наконечник электронного сканирующего микроскопа, электрический потенциал на котором и являлся той силой, которая будет двигать молекулу по поверхности золотого трека. Гонка проводилась в условиях глубокого вакуума, а трек и молекулы-автомобили охлаждались до -268 градусов Цельсия.

Движение крошечных автомобилей по треку отслеживалось при помощи специального инструмента LT-Nanoprobe, созданного специалистами компании ScientaOmicron для лаборатории Pico-Lab CEMES-CNRS в Тулузе. И этот инструмент является единственным в своём роде средством, способным увидеть, как крошечные транспортные средства движутся по металлической поверхности.

Тот самый микроскоп

Победителями второй гонки стали наноболиды команд NANOHIPA и NIMS-MANA​. Оба сделали по 54 витков и покрыли 678 нм и 1054 нм соответственно. Первый продемонстрировал смену полосы движения для объезда, а второй пересек траншею и вернулся обратно. StrasNanocar занял третье место с длиной волны 476 нм и 28 витками

На серебряном покрытии автомобиль австрийско-американской команды из университетов Райса и Граца установил рекорд скорости с пиковой скоростью 95 нанометров в час, оказавшись наравне со швейцарской командой, учитывая, что движение одного и того же наноавтомобиля по серебряным поверхностям происходит медленнее, чем по золотым. Специфические свойства химической структуры, а также совершенно новая техника манипулирования (без трудоёмких этапов визуализации) сделали этот наноавтомобиль очень быстрым. Эти свойства позволили даже пройти дистанцию ​​более 1000 нанометров после завершения официальной гоночной трассы.

Американская команда из Университета Огайо по непонятной причине через 20 нанометров повернула назад, немецкая команда сломала 2 машины, не имея возможности перезапуститься, а японская команда в итоге сдалась. Французская команда потеряла свой автомобиль из виду и также была вынуждена отказаться от дальнейшего участия в гонке, утешая себя символическим призом «самый элегантный автомобиль в соревновании».

Вторая гонка

Nanocar Race II планировали провести в 2021 году, но из-за пандемии сроки сдвинулись. В результате заезды прошли с 24 по 25 марта 2022 года.

На стартовую линию вышли следующие команды:

• GAzE (Германия),
• NANOHISPA (Испания/Швеция),
• NIMS-MANA (Япония),
• Ohio Bobcat Nanowagon (США),
• Rice-Graz NanoPrix (США/Австрия),
• San Sebastián–Santiago (Испания),
• StrasNanocar (Франция)
• Toulouse-Nara (Франция/Япония).

Нанокары, построенные на молекулярном уровне, приводились в движение на атомном уровне с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Победитель, размером три нанометра в длину и один нанометр в ширину, преодолел расстояние в один микрон (1 миллионная часть метра) за 24 часа, что стало самым большим расстоянием в соревновании.

Молекула-победитель

C₆₄H₂₂CuF₆N₄ — это и химическая формула и технические характеристики автомобиля, выигравшего 24-часовую гонку. Каждый из восьми автомобилей представлял собой сложную молекулу, состоящую примерно из 100-1000 атомов с различимыми передней и задней частями.

Автомобиль был разработан командой NIMS-MANA из Цукубы, Япония. Джонатан Хилл, руководитель конструкторской группы, был приятно удивлён результатом. «Мы не так хорошо выступили в первой гонке в 2017 году. Мы даже не надеялись финишировать в тройке лучших», — сказал Хилл журналистам после заезда. «Специально для гонки мы сделали 10 разных молекул, из которых рабочими оказались три. Мы остановились на нашей молекуле-претенденте из 97 атомов, основываясь на ее способности эффективно скользить по гоночной трассе».

Каждое движение автомобиля представляло собой перемещение на несколько сотен пикометров. СТМ также использовался для сканирования и отображения положения автомобиля во время его движения по поверхности. Автомобили, находившиеся на соответствующих объектах восьми команд-участниц, управлялись дистанционно. По словам директора гонки Кристиана Йоахима, потребовалось два месяца работы и 1,5 километра кабелей (Ethernet, HDMI, питание), чтобы все участники могли управлять своими автомобилями через интернет. Также были приняты дополнительные меры для обеспечения защиты сети от взлома.

Наряду с уникальными транспортными средствами, особенным гонку сделало место проведения, гигантское сферическое сооружение под названием La Boule. Расположенный в кампусе CEMES (Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales), он имеет диаметр 25 метров и в начале 1960-х годов в нем размещался самый большой в мире электронный микроскоп.

Японская команда NIMS-MANA разделила первое место с испанской командой NANOHISPA, обе сделали около 54 поворота, проехав 1054 нм и 678 нм соответственно. Первый наноболид продемонстрировал смену полосы движения для объезда, а второй пересёк траншею и вернулся обратно. StrasNanocar занял третье место с расстоянием 476 нм и 28 поворотами.

По словам учёных, участие в таких гонках помогает лучше понять, как молекулы движутся, взаимодействуют с поверхностью или друг с другом, что важно для области молекулярных машин. Между прочим, разработчики технологии молекулярных машин получили Нобелевскую премию по химии в 2016 году. Молекулы, похожие на эти гоночные автомобили, в конечном итоге могут быть использованы для создания жидких кристаллов и органических полупроводников.

Запись гонки

• Nanocar II (часть 1): Отъезд и гонка, 24.03.2022: https://youtu.be/JRmA7jI_usg
• Nanocar II (часть 2): Ночная сессия, 24-25.03.2022: https:// youtu.be/t4-Xh6Wy3y0
• Nanocar II (часть 3): Утро и прибытие, 25.03.2022: https://youtu.be/73SbU8TtBxc
• Предоставлено японской командой NIMS-MANA: https://live.nicovideo.jp/watch/lv336140839

Дополнительно

Температура на гладкой позолоченной трассе приближалась к абсолютному нулю. Здесь, в глубоком вакууме туннельного микроскопа, прошли первые в истории гонки наномобилей — и до финиша добрались далеко не все.

Green Buggy – Toulouse Nanomobile Club (Франция)

• Разработчик: Тулузский университет III им. Поля Сабатье.
  
• Конструкция: жесткое шасси на четырех группах, каждая из которых вращается независимо под действием туннельного тока, перемещая болид на 0,3 нм за каждый полный оборот.
  
• Преимущества: изогнутая форма шасси минимизирует взаимодействия с поверхностью подложки, которые могут снижать скорость на трассе.
  
• Прошел: 0 нм.

На 100-нанометровую дистанцию участникам NanoCar Race было выделено более двух суток, хотя победитель определился уже через несколько часов: двухколесный гонщик развил бешеную скорость, которая позволила бы преодолеть сантиметр всего за 11,5 лет. Несмотря на это, борьба развернулась нешуточная. Соревнования держали в напряжении тысячи зрителей, которые следили за прямыми включениями из Центра разработки материалов и структурных исследований (CEMES) во французской Тулузе, пока участники заменяли и вновь ускоряли свои болиды и даже перезапускали автодром.

Dipolar Racer – NanoPrix Team (США, Австрия)

• Разработчик: Университет Райса, Грацский университет.
  
• Конструкция: два свободно вращающихся колеса на основе жесткой углеродной решетки адамантана. Ускоряется туннельными токами, действующими на заряженные группы в передней и задней частях шасси.
  
• Преимущества: скорость так велика, что на золотой подложке болид не удается рассмотреть. Специальным решением жюри было разрешено использовать «замедляющую» серебряную подложку, на которой Dipolar Racer развил скорость 95 нм/ч.
  
• Прошел: 450 нм.

Молекулярные машины разгонялись токами, которые протекали по тонкой — с острием в несколько атомов — игле сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Игла двигается в нескольких ангстремах над проводящей поверхностью, что позволяет осматривать ее с разрешением до атома или манипулировать отдельными частицами, подавая на них слабый туннельный ток. Под его действием перемещались и наномобили, хотя в остальном конструкторы проявили большую изобретательность, синтезировав молекулы с двумя и четырьмя колесами, парящие над трассой, как ховербайк, и даже ползущие на манер гусеницы.

Swiss Nano Dragster – Swiss Team (Швейцария)

• Разработчик: Базельский университет.
  
• Конструкция: бесколесный «ховербайк», приводимый в движение за счет электромагнитных взаимодействий, которые возникают под действием токов между тремя плоскостями терпиридиновой группы и поверхностью золотой подложки.
  
• Преимущества: простая и устойчивая структура повышенной выносливости, способная выдержать многочасовую гонку без разрушения.
  
• Прошел: 133 нм.

Специально для NanoCar Race команда профессора CEMES Кристиана Иоахима собрала СТМ, способный манипулировать четырьмя иглами сразу, проводя наномобили по параллельным дорожкам. Однако этого оказалось мало: к финишным заездам были готовы сразу шесть команд, так что гонки проходили не только на основном «автодроме», но и еще на двух СТМ-установках, расположенных в Австрии и США. Утром 28 апреля старт был дан. К этому моменту молекулы каждой команды уже были напылены на золотую подложку, оставалось подогнать болиды к месту старта и начать разгон, входя в первый поворот.

NIMS-MANA Car – Nano-Vehicle NIMS-MANA (Япония)

• Разработчик: Национальный институт наук о материалах.
  
• Конструкция: модуль из спаренных молекул нафталина меняет положение относительно шасси, заставляя болид двигаться на манер живой гусеницы. Второй модуль расположен симметрично для повышения надежности и скорости.
  
• Преимущества: «шарнирная подвеска» модулей позволяет контролировать движение с высокой точностью, однако до начала гонок разработчики не успели испытать ее на золотой подложке.
  
• Прошел: 1 нм.

Авария случилась уже через полчаса: нескоординированные действия японской команды Nano-Vehicle NIMS-MANA привели к зависанию основного микроскопа, из-за чего заезд пришлось прервать для перезагрузки СТМ. Зато после нового старта гонка пошла быстрее: стремительный швейцарский «нанодрагстер» претендовал на победу, но несколько раз терялся, и команда потратила драгоценные минуты на его замену. Победителем же оказался «дипольный гонщик» американо-австрийской команды NanoPrix, который развил бешеную скорость, добравшись до финиша за полтора часа и оторвавшись от пришедшего вторым «драгстера» на пять часов.

Bobcat Nano-Wagon – Ohio Bobcat Nano-Wagon Team (США)

• Разработчик: Университет Огайо.
  
• Конструкция: на Н-образном шасси — четыре вращающихся колеса на основе кукурбитурила, округлой макроциклической структуры из пяти- и шестичленных азотсодержащих колец.
  
• Преимущества: каждый оборот колеса продвигает багги на 0,3 нм вперед; по расчетам разработчиков, этого достаточно, чтобы преодолеть нужную дистанцию примерно за час.
  
• Прошел: 43 нм.

Третья награда NanoCar Race досталась багги американской команды. Содержащий больше 500 атомов наномобиль также получил специальный приз как самый крупный болид гонок. Впрочем, ни ему, ни остальным трем участникам за 30 часов не удалось даже добраться до финиша (французский наномобиль и вовсе не смог сдвинуться с места). Несмотря на очевидный прогресс нанотехнологий, возможности манипуляции отдельными атомами и молекулами пока очень и очень ограниченны. Зато это направление развивается в потрясающем темпе, и уже от следующих гонок NanoCar Race болельщики ждут и большей конкуренции на трассе, и больших скоростей.

Windmill – Nano-Windmill Company (Германия)

• Разработчик: Дрезденский технический университет.
  
• Конструкция: четыре молекулы бифенилацетила удерживаются водородными связями. Ток, воздействуя на одно из внешних бензоловых колец, заставляет систему двигаться в его направлении.
  
• Преимущества: четыре независимых движителя обеспечивают высокую маневренность. Благодаря гибкой модульной конструкции болид можно быстро восстановить после аварии.
  
• Прошел: 11 нм.

Автор: Cloud4Y @Cloud4Y
Источник: https://habr.com/