Назначена дата первых гонок на молекулярных машинах

28-29 апреля 2017 года в Тулузе состоится первая международная гонка молекулярных машин. В ней примут участие четыре команды физиков и химиков. Всего в состязании примут участие исследовательские группы из шести стран — Германии, США, Франции, Японии, Австрии и Швейцарии. Согласно правилам гонки, молекулярные машины должны будут проехать в общей сложности около ста нанометров и выполнить несколько поворотов менее чем за 38 часов. Об этом сообщает официальный сайт события. Гонка будет транслироваться онлайн на Youtube.

Молекулярные машины — молекулярные или надмолекулярные конструкции, способные выполнять простейшие механические операции. Например, вращать или перемещать свои фрагменты друг относительно друга. Важно, что эти движения можно контролировать, например, вращение происходит строго в определенную сторону под действием внешних стимулов. Как правило, в качестве «топлива» для молекулярных машин используют освещение, нагрев или электрический ток. В 2016 году за разработку и создание подобных молекул была присуждена Нобелевская премия по химии.

В гонках на молекулярных машинах будут использоваться молекулы, способные перемещаться по поверхности металла под действием внешних воздействий. Одним из первых примеров таких «машин» была молекула дитиоантрацена. Она представляет собой плоский органический каркас из трех склеенных шестиугольников, по бокам которого находятся группы с атомами серы. Они способны «прилипать» к атомам на поверхности металла. Из-за тепловых колебаний эти связи разрываются и снова возникают, что приводит к «шагающим» движениям молекулы вдоль некоторых кристаллографических направлений. Такое необычное поведение впервые было показано в 2005 году.

Гонки будут происходить в лаборатории Центра разработки материалов и структурных исследований CNRS в Тулузе. По правилам, молекулярные машины будут напылены на круглую золотую подложку — каждая из четырех команд получит по сектору, в котором будут происходить испытания. Управление машинами будет происходить с помощью сканирующего туннельного микроскопа — чрезвычайно острой иглы, на которую будет подаваться электрическое напряжение. Механически воздействовать на машины запрещено — по правилам перемещения должны происходить благодаря энергии электронов, переносимых на молекулу с острия иглы.

Специально для конкурса была разработана система, в которой у сканирующего туннельного микроскопа есть одновременно четыре независимых иглы. По данным с официального сайта каждая машина должна будет проехать по следующей траектории: 20 нанометров по прямой, поворот, 50 нанометров по прямой, поворот и еще 20 нанометров по прямой. Phys.org приводит данные о том, что повороты будут выполняться на 45 градусов. Согласно анонсирующему видео, победителем станет команда, преодолевшая наибольшее расстояние. Время, отведенное на выполнение задачи — 38 часов. В случае «аварии» машину разрешается заменить, однако менять иглу в ходе гонок запрещено.

На протяжении следующего месяца участники будут тренироваться в работе с оборудованием центра.

Идея конкурса возникла в 2013 году при анализе научных публикаций различных групп. Всего заявки на участие в гонках подали девять проектов, шесть из них соответствовали необходимым критериям. На сайте мероприятия опубликована информация о молекулярных машинах команд. Так, французская команда создала для участия «зеленный багги» — плоскую вытянутую молекулу, по бокам от которой располагаются четыре колеса, каждое из которых похоже на винт с тремя лопастями. Молекула швейцарской команды скорее представляет собой аналог «аппарата на воздушной подушке» — молекула толилтерпиридина лишена колес и перемещается по поверхности благодаря слабым взаимодействиям с ней. Команда из Германии использует вместо одной молекулы комплекс из сразу четырех частиц, связанных  слабыми водородными связями— «вертушку».

Организаторы отмечают, что главная цель гонок — помимо соревнования между научными группами — усовершенствование методов наблюдения за единичными молекулами и контроля их перемещения.

Владимир Королёв