Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин

Стоддарт назвал эту систему «молекулярным челноком», который меняет свое положение в зависимости от внешнего воздействия. Два фиксированных положения соответствуют логической схеме 0 или 1, на которой основаны все современные вычислительные устройства. На основе молекул «челнока» Стоддарту совместно с американским ученым Дж. Хитом удалось создать блок памяти емкостью 20 кБ на площади всего в 0,01 мм², что в 10 раз меньше, чем срез человеческого волоса.

Полученный результат обнадеживает, поскольку современные компьютеры, поражающие нас быстродействием и компактностью, достигли границ своих возможностей. В устройствах следующего поколения носителями информации будут отдельные молекулы, что позволит увеличить плотность записи информации в десятки раз. Пока такие молекулярные системы нестабильны – в сравнении с кристаллическим кремнием. Однако вспомним, какие сомнения вызывала возможность использования полупроводников в эпоху ламповых компьютеров – и тем не менее полупроводники победили. А потому, торжественно обобщая все рассмотренное, скажем, что молекулы "челнока" знаменуют приближение века молекулярной электроники.

Совсем другой подход

При создании молекулярных механических устройств Саваж и Стоддарт брали за основу катенаны и ротаксаны. Оказалось, что существует другой подход к решению проблемы: его продемонстрировал голландский химик Бернард Феринга. Он показал, что можно управлять подвижностью отдельных частей молекулы совершенно иным образом.

Известно, что отдельные фрагменты молекулы могут свободно поворачиваться вокруг одинарной связи – например, в этане (рис. 3.21а), однако вращение вокруг двойной связи (этилен) невозможно (рис. 3.21б).

Феринга преодолел этот запрет. Он синтезировал молекулу, в которой двойная связь находится между двумя плоскими фрагментами, собранными из спаянных двух бензольных ядер и циклогексанового цикла. К этим фрагментам присоединены метильные группы СН₃, роль которых очень важна: они частично заслоняют бензольные ядра из соседних фрагментов (рис. 3.22а). При действии импульса ультрафиолета двойная связь ослабляется и немного растягивается, и становится возможным взаимоповорот присоединенных блоков вокруг связи на 180^о (рис. 3.22б). Из-за удлинения связи метильные группы перестают быть препятствием, а двойная связь играет роль поворотной оси. Затем связь вновь укорачивается, после чего поворот невозможен (рис. 3.22в). Молекула разворачивается таким образом, что метильные группы оказываются удаленными друг от друга (рис. 3.22 г). Если воздействовать очередным импульсом УФ-облучения, то вновь произойдет поворот, причем в ту же сторону. Метильные группы играют роль храпового механизма (защелки), позволяющего вращаться только в одну сторону.

После экспериментирования с различными вариантами Феринга выбрал строение «мотора», показанное на рис. 3.23. Он прикрепил четыре такие молекулы к жесткой раме, похожей на автомобильное шасси. Роль условных колес стали выполнять молекулы флуорена: фактически каждое колесо напоминало вращающуюся лопатку.

Однако сделать автомобиль с колесами – полдела, надо было изготовить для него шоссе. Сложность состояла в том, что вся работа проходила на молекулярном уровне. Изготовить гладкую поверхность из атомов невозможно, так как внешние размеры атомов определяются электронной оболочкой, которая близка к сферической. В конечном итоге "шоссе" было создано из тонкой пленки напыленного золота – из него достаточно легко сделать напыленное покрытие, и к тому же оно химически инертно, так что "колеса" не должны были к нему прилипать. На рис. 3.24 молекулярный автомобиль изображен в виде объемной модели – его движение начинается при УФ-облучении. Естественно, наблюдать это движение было возможно только при использовании сканирующего туннельного микроскопа, ощупывающего поверхность с помощью иглы и передающего изображение на монитор. Машина двигалась по бугристой поверхности, изображая неприхотливый вездеход.

Реальные способы применения такого автомобиля пока неясны. Возможно, это будет транспортировка лекарственных средств внутри биологических объектов. Ситуация несколько напоминает период расцвета паровых двигателей, а позднее – двигателей внутреннего сгорания; в те времена электромоторы рассматривались как интересные игрушки. Никто не мог предвидеть появления трамваев, троллейбусов, электричек, пылесосов и стиральных машин, снабженных электродвигателями. Похожая судьба, вероятнее всего, ожидает молекулярные машины. Развитие науки найдет широкое применение этой необычной, только зарождающейся области химии.

Высшее признание

В этой главе подробно рассказано о работах Ж.-П. Саважа из Страсбургского университета, Ф. Стоддарта из Северо-Западного университета в Иллинойсе и Б. Л. Феринги из Гронингенского университета, Голландия. Эти трое ученых в 2016 г. были удостоены Нобелевской премии «За проектирование и синтез молекулярных машин».