28-29 апреля в Тулузе состоялась первая в истории гонка молекулярных машин. Успешно пройти 100-нанометровую трассу удалось двум командам из шести, участвовавших в гонке: австрийско-американской и швейцарской. На третьем месте оказалась команда из Огайо, преодолевшая около 45 нанометров дистанции за 30 часов гонки. Интересно отметить, что команда-победитель специально усложнила себе задачу, удлинив дистанцию на 50 нанометров и использовав серебряную подложку вместо золотой и все равно финишировала уже через пару часов после старта. Соревнование транслировалось онлайн на официальном канале гонок.
Согласно правилам гонки, спортивные болиды в ней могут представлять собой отдельные молекулы или супрамолекулярные комплексы. Команды должны были поместить молекулы на специально подготовленную золотую поверхность и, подавая на них электрические импульсы, заставить частицы двигаться по заранее намеченным S-образным траекториям с двумя обязательными поворотами. Для управления и слежения за ходом гонки использовались сканирующие туннельные микроскопы. Эти приборы изучают поверхность с помощью чрезвычайно острой иглы — ее острие может состоять всего лишь из нескольких атомов. Создавая электрическое напряжение между иглой и поверхностью исследователи фиксируют ток туннелирования электронов. Когда электрон попадает на молекулу, выполняющую роль машины, она получает дополнительную энергию, которую использует для движения.
Специально для гонок организаторы разработали сканирующий туннельный микроскоп с четырьмя независимыми иглами. Гоночные треки — свои для каждой команды — располагались на одном золотом «медальоне», круглом 8-миллиметровом диске. Согласно первоначальному плану из шести команд, готовых участвовать, нужно было отобрать четыре для финальной гонки. Однако организаторы решили не снимать команды с гонок и использовать две дополнительных площадки — микроскопы в Австрии и Огайо. В гонке участвовали команды из США, Австрии, Германии, Японии, Швейцарии и Франции.
Молекулярные гонки начались 28 апреля, в 12:00 по московскому времени. Первой задачей, стоявшей перед участниками, было найти трек и подходящую молекулу, из огромного числа частиц, нанесенных на «арену» гонки. Затем команды начали движение по треку. Первое серьезное происшествие произошло уже через полчаса после старта гонки. Из-за неполадок с программной частью и неправильных действий японской команды пришлось полностью перезагружать оборудование центральной арены гонки (СТМ с четырьмя иглами), на что ушло около полутора часов.
Затем гонка возобновилась. Уже через полтора часа появился первый победитель — команда из Университета Райса (США) и Грацского Университета (Австрия). В качестве болида команды выступала молекула, названная «дипольным гонщиком». По своей форме она напоминает сигвей — два колеса из адамантановых фрагментов, скрепленных между собой бензольным кольцом с рядом заместителей. Интересно, что до начала гонки структура молекулы не раскрывалась. Команда планирует опубликовать детальную статью, посвященную синтезу и разработке машины. Всего ученые за время гонки продвинулась на 450 нанометров, а средняя скорость при движении по серебру составляла свыше 90 нанометров в час. Чтобы преодолеть сантиметр на такой скорости потребуется 11,5 года. Участники отмечают, что сменили золото на серебро, поскольку на золоте молекула была слишком подвижной.
Через пять часов финишировала команда из Швейцарии, преодолев 100-нанометровую дистанцию на золотом медальоне в Тулузе. Ее болид представлял собой «судно на воздушной подложке» — это плоская молекула, состоящая их трех ароматических колец. Два или три раза команда теряла молекулу и была вынуждена заменять ее на новую, что разрешено правилами. Организаторы приняли решение присвоить первое место и швейцарцам и американско-австрийской сборной.
Третье место, преодолев 45 нанометров, заняла команда из Огайо — ученые также получили специальную премию за то, что привели в движение самую массивную молекулу из участвовавших в гонке (свыше 500 атомов). Четвертое место присуждено команде из Германии (результат — 11 нанометров) — ученые использовали в гонках молекулярный комплекс, собиравшийся с помощью водородных связей непосредственно на золотой подложке. Пятое и шестое места заняли команды из Франции и Японии. Их спортивные болиды не смогли продвинуться по трассе больше, чем на пару нанометров.
Главная цель соревнования — демонстрация способности контролировать движения материи на молекулярном уровне. В прошлом году за разработку молекулярных машин была вручена Нобелевская премия. Сейчас они находятся лишь на ранней стадии развития, как отмечает нобелевский комитет — примерно той же, что и электрические моторы в 1830-х годах. Подробнее о молекулярных машинах можно прочитать в нашем материале «Машина из пробирки».
Владимир Королёв