Молекулярні ротори

Молекулярні двигуни- молекулярні машини, здатні здійснювати обертання при додатку до них енергії. Традиційно термін «молекулярний двигун» застосовується, коли йдеться про органічні білкові сполуки, проте в даний час його застосовують і для позначення неорганічних молекулярних двигунів [1] і використовують як узагальнююче поняття. Можливість створення молекулярних моторів уперше була озвучена Річардом Фейнманом у 1959 році.

Зміст

Хімічний метод

Вперше про створення молекулярного двигуна обертання повідомив Росс Келлі у своїй роботі в 1999 [2] . Його система складалася з трьох триптицинових роторів та хеліцинової частини і була здатна виконувати односпрямовані обертання у площині 120°.

Ротація відбувається у 5 етапів. По-перше, амінова група на триптицинової частини молекули перетворюється на ізоціанову групу шляхом конденсації молекул фосгену (a). Обертання навколо центральної осі здійснюється за рахунок проходу ізоціанової групи в безпосередній близькості від гідроксильної групи, розташованої на частині хеліцинової молекули (b), завдяки чому ці дві групи реагують між собою (c). Ця реакція створює пастку для уретанової групи, що збільшує її натяг і забезпечує початок обертального руху при достатньому рівні термічної енергії, що надходить. Після приведення молекулярного ротора в рух надалі потрібна лише незначна кількість енергії для здійснення ротаційного циклу (d). Нарешті, розщеплення уретанової групи відновлює амінову групу та забезпечує подальшу функціональність молекули (е).

Результатом цієї реакції є односпрямоване обертання триптицинової частини на 120° стосовно хеліцинової частини. Додатковомуруху вперед перешкоджає хеліцинова частина молекули, яка виконує роль, аналогічну ролі храповика у годинниковому механізмі. Односпрямований рух є результатом асиметрії хеліцинової частини, а також появою уретанової групи (c). Обертання може здійснюватися тільки за годинниковою стрілкою, для проведення процесу обертання в іншу сторону потрібні набагато більші витрати енергії (d).

Двигун Келлі є чудовим прикладом того, як хімічна енергія може бути використана для створення односпрямованого обертального руху, процесу, що нагадує споживання АТФ (аденозинтрифосфорної кислоти) у живих організмах. Проте ця модель не позбавлена серйозних недоліків: послідовність подій, що призводить до обертання на 120 °, не повторюється. Тому Росс Келлі та його колеги шукали різні шляхи для забезпечення неодноразового повторення цієї послідовності. Спроби досягти мети не мали успіху і проект був закритий [3] .

Світловий метод

У 1999 році з лабораторії доктора Бена Ферінга в університеті Гронінгена (Нідерланди) надійшло повідомлення про створення односпрямованого молекулярного ротора [4] . Їхній молекулярний двигун обертання на 360° складається з біс-хеліцину з'єднаного подвійним аксіальним зв'язком і має два стереоцентри.

Один цикл односпрямованого обертання займає 4 етапи. На першому етапі низька температура викликає ендотермічну реакцію в трансізомері (P, P) перетворюючи його в цис-ізомер (M, M), де P - правозакручена спіраль, а M - лівозакручена спіраль (1, 2). У цьому процесі дві осьові метилові групи перетворюються на екваторіальні.

Шляхом підвищення температури до 20 °C метилові групи конвертуються назад в екзотермальні (P, P) цис-аксіальні групи (3). Так якосьові ізомери є стабільнішими, ніж екваторіальні ізомери, то зворотний процес ротації неможливий. Фотоізомеризація перетворює цис-ізомер (P, P) транс-ізомер (M, M), знову з утворенням екваторіальних мелілових груп (3, 4). Тепловий процес ізомеризації при 60 ° C закриває 360 ° циклу обертання по відношенню до початкової позиції.

Серйозною перешкодою для здійснення цієї реакції є низька швидкість обертання, яка навіть не можна порівняти з існуючими в природі біологічними молекулярними роторами. У найбільш швидких на сьогоднішній день системах з фтор-групами половина термічної інверсії спіралі молекули здійснюється за 0,005 секунд [5] . Цей процес відбувається з використанням реакції Бартона-Келлога. Повільний крок обертання можна значно прискорити за рахунок більшої кількості трет-бутилових груп, які роблять ізомер ще менш стабільним, порівняно з метиловими групами. Так як нестабільність ізомерів підвищується, то прискорюється інверсія спіралі молекули.

Принципи роботи молекулярного ротора Ферінги були включені до прототипу наноробота [6] . Прототип має синтетичні хеліцинові двигуни з оліго-шасі і 4 карбоновими колесами і, як очікується, зможе здійснювати рух по твердій поверхні під контролем скануючого тунельного мікроскопа. Однак, поки двигун не працює на основі фулеренових коліс, тому що вони знижують фотохімічну реакцію частин ротора.

Тунелювання електронів

За аналогією з традиційним електродвигуном, наномасштабні молекулярні мотори можуть бути рухомими шляхом резонансного або нерезонансного тунелювання електронів [7] . Нанорозмірні машини, що обертаються, на основі цих принципів булирозроблені Петром Кралом та його співробітниками в Університеті штату Ілліойс у Чикаго [8] .

Як показано у правій частині малюнка, один із типів моторів має вісь, що формується на основі вуглецевих нанотрубок, які можуть бути встановлені на підшипниках CNT. У двигуна є три (шість) лопатей, утворених на основі полімеризованого іцеану. Лопаті орієнтовані під кутом 120° (60°) один до одного і мають довжину від 2 нм, щоб не допустити нерезонансного тунелювання електронів від лопат до валу (осі). Енергія в систему подається через передачу електрона вздовж лопатей шляхом резонансного тунелювання. Лопаті формують молекули, пов'язані з фулеренами, ковалентно з'єднаними у верхній частині лопатей. У принципі такі гібридні молекулярні ротори можуть бути синтезовані в реакціях циклоприєднання.

В однорідному електростатичному поліE, орієнтованому вздовж вертикального напрямку, використовується періодичне заряджання і розряджання лопаті мотора за допомогою тунелювання електронів з двох нейтральних металевих електродів. Кожен фулереновий перемикач змінює знак заряду за допомогою двох електронів з позитивного (+q) на негативний (-q) за допомогою тунелю між нейтральним електродом і фулереном. Щоб повернути лопату мотора, електрод втрачає два електрони (внаслідок чого на ньому змінюється заряд), і лопата здійснює половину циклу обертання в електричному поліE. Інша половина циклу обертання відбувається аналогічно (тільки електрод отримує два електрони). Таким чином відбувається безперервне обертання трьох (шести) лопат з фулеренами. Молекулярний двигун веде своє дипольP, який знаходиться в середній ортогоналі [невідомий термін] у напрямку до електричного поляE,генеруючи постійний крутний момент.

Ефективність методу тунелювання електронів порівнянна з аналогічною ефективністю приводу макроскопічних електромоторів, але може знизитися через шумів і структурних дефектів.