Они разработали самые маленькие машины в мире: крошечный лифт, искусственные мышцы и микроскопические моторы. Теперь можно смело сказать, что в мире существуют молекулы с управляемыми движениями, которые, если добавить энергию, смогут решать любые задачи.
Собственно, молекулярные машины – это микроустройства, которые способны манипулировать отдельными атомами и молекулами: переносить их с места на место, сближать друг с другом, чтобы образовалась химическая реакция, складывать молекулярные конструкции и так далее. Теоретически такие машины позволяют собирать из атомов искусственные материалы с заданными свойствами или менять свойства уже существующих. Машины могут быть использованы и для работы с живыми клетками.
Жан-Пьер Соваж разработал удобный метод для синтеза особого класса соединений — катенанов. Молекулы этих веществ состоят из двух колец, сцепленных друг с другом. Такие связи называются топологическими, или механическими. Работы Фрейзера Стоддарт расширяют список соединений с подобными «нехимическими» связями — его группа занималась синтезом и исследованием ротаксанов. Их молекулы состоят из длинной цепочки, на которую свободно надето кольцо. Благодаря двум крупным конструкциям на концах цепочки кольцо не может «свалиться» с нее. Стоддарту удалось показать, что кольцо может свободно перемещаться вдоль цепочки.
Примеры катенанов (сверху) и ротаксанов (снизу)
Бернард Феринга стал первым химиком, разработавшим и синтезировавшим молекулярный мотор — молекулу, которая под действием света претерпевала структурные изменения и начинала вращаться подобно лопасти ветряка в строго заданном направлении. В 1999 году с помощью молекулярных моторов ученому удалось заставить вращаться стеклянный цилиндр, который превосходил их по размерам в 10 тысяч раз.
Пример молекулярного мотора, заставляющего вращаться золотую наночастицу
Катенаны и ротаксаны также часто являются важными фрагментами современных молекулярных машин. Размещая на цепочках специальные фрагменты, способные менять свой заряд или другие свойства в результате внешних воздействий, ученые могут управлять вращением этих молекул. Так, например, были созданы «молекулярные насосы», способные переносить кольца вдоль цепей ротаксанов строго в определенном направлении.