Инженеры из Пенсильванского университета создали подвижные нанопленки, работающие на основе специфической гибридизации молекул ДНК. Управлять их движением можно, добавляя к ним цепочки ДНК, комплементарные ДНК, входящей в состав пленки. Статья опубликована в журнале Nature Nanotechnology.
Молекула ДНК состоит из двух цепей, на каждой из которых находятся азотистые основания четырех типов: тимин, аденин, цитозин и гуанин. Азотистые основания обеспечивают связь между цепями, которая осуществляется по принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, а гуанин — с цитозином. Такое специфическое связывание (специфическая гибридизация) цепочек ДНК может использоваться для создания механизмов, меняющих форму в ответ на воздействие молекул ДНК и приводящих в движение различные микроскопические устройства.
Авторы статьи продемонстрировали работу этого принципа на примере созданных ими тонких пленок, которые состоят из золотых наночастиц, соединенных друг с другом мостиками из одноцепочечных молекул ДНК. Эти пленки состоят из нескольких слоев, каждый из которых образован мостиками ДНК с разными последовательностями. При добавлении ДНК, комплементарной каким-либо из этих последовательностей, в содержащий пленку раствор она меняет форму: сгибается, сворачивается или даже переворачивается. Это происходит за счет специфической гибридизации молекул ДНК, встроенных в пленку, с молекулами ДНК, добавленными в раствор. Двухцепочечная ДНК всегда длиннее одноцепочечной молекулы с тем же числом оснований, поскольку двухцепочечная ДНК более жесткая, а одноцепочечная — более гибкая. И хотя при растягивании одноцепочечная молекула ДНК будет длиннее двухцепочечной, в растворе она спутывается и становится короче. В результате при образовании двухцепочечной ДНК мостик в пленке удлиняется, а материал пленки расширяется. При этом нужно отметить, что такое свойство ДНК можно использовать только для расширения материала пленки, но не для его сжатия.
Движения пленки и ее частей можно контролировать, добавляя к ней молекулы ДНК с различными последовательностями, комплементарными различным участкам пленки. Например, если добавить молекулы ДНК, комплементарные одному слою пленки, то пленка свернется в «рулон». Авторы предусмотрели также способ вернуть такой свернутой пленке исходную форму. Для этого они оставили у молекул ДНК, которые при добавлении в раствор приводят к сворачиванию пленки, «хвостики», некомплементарные ДНК-мостиками внутри пленки. При добавлении к свернутой пленке молекул ДНК, комплементарных этим «хвостикам», формируются новые двухцепочечные молекулы, которые разрушают старые связи. Комплементарные мостикам молекулы ДНК отрываются, мостик снова становится коротким, и пленка возвращается к исходной форме.
По словам авторов, уникальность таких пленок заключается в их высокой специфичности. В отличие от устройств, реагирующих на изменения температуры или кислотности, пленки реагируют только на определенные последовательности ДНК, комплементарные входящим в их состав мостикам, и игнорируют все другие молекулы ДНК. В будущем такие пленки можно будет использовать, например, во внутриклеточных диагностических устройствах, которые будут сообщать об изменениях экспрессии генов.
Принцип комплементарности ДНК лежит также в основе ДНК-оригами — техники, позволяющей создавать из длинных молекул ДНК нанообъекты с запрограммированными свойствами: формой и расположением функциональных участков. Эта техника использовалась, например, для преодоления лекарственной устойчивости рака крови, создания молекулярных «клиньев», способных сближать и удалять молекулы на заданное расстояние с точностью до 0,4 ангстрем, и разработки нанороботов, которые позволяют управлять доставкой лекарств силой мысли.
Софья Долотовская
С гибридной силовой установкой и продолжительностью полета более двух часов
Французская компания Zapata разрабатывает персональный летательный аппарат вертикального взлета и посадки под названием Airscooter. Аппарат массой 115 килограммов, рассчитанный на одного человека, будет оснащаться двенадцатью воздушными винтами и гибридной силовой установкой. Airscooter будет способен поднимать груз до 120 килограмм, развивать максимальную скорость 100 километров в час и летать на протяжении более двух часов, сообщает издание New Atlas. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Компания Zapata, основанная изобретателем Фрэнки Запатой (Franky Zapata), занимается разработкой персональных летательных средств уже больше десяти лет. В списке изобретеней Запаты, например, значатся водяной и воздушный ховерборды Flyboard, а также одноместный летательный аппарат JetRacer, представленный в 2022 году. Его конструкция напоминает квадрокоптер, у которого роль роторов выполняют десять компактных турбореактивных двигателей, разгоняющих аппарат до 200 километров в час. Новая разработка Zapata под названием Airscooter тоже относится к классу персональных летательных аппаратов. Внешне корпус одноместного Airscooter напоминает яйцо на трех опорах, сверху которого находится рама, состоящая из восьми лучей, на ней размещаются двенадцать роторов. Два задних луча соединяются спойлером. Четыре больших ротора, установленные на концах лучей, расположенных вдоль и перпендикулярно оси аппарата, судя по опубликованным изображениям и видео, вращаются с помощью гибридного привода. Другие восемь винтов меньшего диаметра располагаются парами на оставшихся четырех лучах рамы и имеют полностью электрический привод. https://www.youtube.com/watch?v=v_hPFbpA_ts Точное предназначение всех двенадцати воздушных винтов пока не раскрывается, однако можно предположить, что восемь малых пропеллеров будут намного быстрее реагировать на управляющие сигналы, поэтому скорее всего они будут использоваться для управления и балансировки устройства в полете, в то время как большие винты будут создавать основную тягу. Согласно опубликованным на сайте компании характеристикам, Airscooter будет способен разгоняться до скорости 100 километров в час и поднимать в воздух до 120 килограмм. Благодаря гибридной силовой установке продолжительность полета воздушного скутера на одной заправке бака объемом 18,9 литра составит более двух часов, что выгодно отличает его от чисто электрических летательных аппаратов с вертикальным взлетом и посадкой. Еще одним преимуществом станет масса Airscooter, которая составляет всего лишь 115 килограмм. Из-за этого, например, в США Airscooter квалифицируется как ультралегкий самолет, для управления которым не нужна лицензия пилота. Компания утверждает, что управление воздушным судном будет такое же простое как управление дроном благодаря автоматизации и множеству датчиков безопасности. Информации о стоимости аппарата и сроках его готовности на данный момент нет. На сегодняшний день множество компаний разрабатывают гибридные и полностью электрические летательные аппараты, которые вскоре должны стать частью новой отрасли аэротакси. Однако степень безопасности используемых в них технологий в полной мере еще не изучен. Недавно, к примеру, во время испытательного полета произошло крушение прототипа аэротакси VX4 британской компании Vertical Aerospace, что может негативно отразиться на сроках сертификации.