Под руководством Лонг Чжана из Северо-Западного университета США был создан электрический молекулярный мотор на основе архитектуры катенана. Мотор работает с помощью электролиза с контролируемым потенциалом и под воздействием электрического тока. Такой метод обеспечивает неинвазивность, повторяемость, надежность и безотходность работы мотора. Он может успешно использоваться с широким спектром химических восстановителей и окислителей. Результаты работы ученых были опубликованы в журнале Nature.
Молекулярные моторы — молекулярные машины, которые работают аналогично обычным двигателям: преобразуют приложенную к ним энергию в направленное движение, вращение.
«Макроскопические электромоторы продолжают оказывать большое влияние практически на все аспекты жизни современного общества. Следовательно, усилия по разработке молекулярных моторов, которые могут приводиться в действие электричеством, как нельзя более своевременн», — отмечают авторы.
«Исследования, подобные этому, — это огромные достижения в способности контролировать материю на молекулярном уровне», — комментирует Джулио Рагаццон из Страсбургского университета.
В течение последних 40 лет разработка и синтез искусственных молекулярных машин породили надежды на технологическую революцию, подобную той, что возникла в результате разработки макроскопических двигателей. Для преобразования энергии в сонаправленное движение на молекулярном уровне уже было разработано несколько искусственных молекулярных машин. И, в отличие от существующих мономолекулярных электрических моторов, новый катенановый мотор может работать без использования сканирующей туннельной микроскопии. Кроме того, Рагаццон отмечает, что предыдущие моторы, работающие на электричестве, требовали использования высокого вакуума и сложных установок. А данная система работает в мягких условиях — важное требование для дальнейшего прогресса.
«Наш катенан состоит из двух небольших, идентичных, 4+– заряженных колец и гораздо большей, 50-членной циклической цепи, — говорит Лонг Чжан, один из авторов работы. — Кольца могут совершать круговое сонаправленное движение вокруг цепи под действием электрических импульсов. Самопроизвольно этот процесс не произойдет. — Существует два различных состояния — окисленное и восстановленное — и, изменяя напряжение, мы можем добиться сонаправленного движения двух колец по часовой стрелке вокруг цепи».
Чжан объясняет, что когда катенан находится в восстановленном состоянии, маленькие кольца перемещаются из положения «на 3 и 9 часов» в положение «на 6 и 12 часов». Но когда система окисляется, кулоновский барьер заставляет кольца продолжать двигаться в том же направлении, пока они не вернутся обратно в положение « на 3 и 9 часов».
Исследователи использовали довольно красивый трюк, чтобы доказать, что имеет место сонаправленное вращение. Они заменили некоторые атомы водорода в одном из колец на дейтерий. Это и позволило им различать два кольца.
Чжан говорит, что катенановый двигатель был разработан на основе предыдущих исследований молекулярных насосов, и добавляет, что, если к поверхности электрода прикрепить много электрических молекулярных двигателей, они смогут выполнять полезную работу по преобразованию электрической энергии в механическую. В этом направлении исследователи продолжают работу.
Тибор Кудернак из Университета Гронингена, Нидерланды, который помог создать один из первых мономолекулярных электромоторов еще в 2011 году, говорит: «Что меня так вдохновляет в этой работе, так это то, что она основана на том же принципе, что и броуновские храповые механизмы, которые широко распространены в биомолекулярных машинах. Кроме того, система работает благодаря электронным эффектам, что значительно повышает скорость молекулярных операций и позволяет обойти проблемы с непрерывной доставкой химического топлива и управлением отходами — двумя наиболее серьезными препятствиями на пути к устойчивому функционированию молекулярных машин».
Текст: Маргарита Фуки
