Знание-сила, 2002 №05 (899)

Тем не менее физики, приглядевшись к «колесику Фейнмана», быстро сообразили, что на его основе можно и впрямь создать реальный микроскопический мотор, который будет превращать тепловое движение атомов во вращение ротора – только за счет внешней энергии. Если, например, каким-то внешним образом (скажем, с помощью электрического поля или лазерного луча) периодически поднимать и опускать «собачку», то «колесико Фейнмана» будет в итоге вращаться против часовой стрелки. Это будет настоящий, вполне обычный мотор с той существенной разницей, что размеры его будут микроскопическими, молекулярными, а потому его сможет приводить в действие хаотическое (или, как говорят в физике, – броуновское) движение атомов окружающей среды. Область применения таких «броуновских» микромоторов поистине необозрима, и потому сегодня сразу две группы исследователей энергично заняты их практическим осуществлением.

Группа Росс Келли в Бостоне уже синтезировала одно такое устройство. Как и надлежит «молекулярному» мотору, оно состоит из трех молекул бензена (трех сцепленных друг с другом колец), действующих одновременно и как пропеллер, и как зубчатка, и четырех дополнительных бензеновых молекул, которые входят между первыми как зубцы. В таком виде «пропеллер», как и положено, вращается в обе стороны. Но Келли пытается присоединить к кольцам «пропеллера» такие дополнительные атомы, которые провоцировали бы определенные химические реакции, способные вызвать освобождение «пропеллера» в нужные моменты цикла. Вторая группа под руководством Джеймса Гимжевского из Цюриха надеется добиться того же эффекта, используя так называемый туннельный атомный микроскоп для подачи на мотор периодического электрического поля.

Во всех этих работах ученые пытаются «запрячь» в согласованную работу хаотически движущиеся атомы, но не нарушая, а используя второй закон термодинамики. И хотя технические трудности на пути создания молекулярных моторов, работающих за счет броуновского движения, пока еще весьма велики, ученые не унывают, поскольку им известно, что природа давно уже создала множество таких микроскопических двигателей. Подобные «броуновские моторы» работают, например, внутри живых клеток – в так называемых ионных насосах, перемещающих заряженные ионы сквозь клеточные мембраны. Такой «насос» представляет собой молекулу белка, отдельные части которой вращаются в определенную сторону благодаря изменениям его внутреннего электрического поля. С помощью таких же «броуновских моторов» перемещаются частицы вещества во внутриклеточных трубочках-тубулах, сокращаются мышечные волокна и движутся хвостики сперматозоидов. Даже «переписывание» с генетических молекул ДНК тех «инструкций», по которым в клетке создаются белки, тоже опирается на молекулярные моторы. (Кстати, компьютерная действующая модель такого мотора недавно опубликована в Интернете по адресу: monet.physik.unibas/ch/~elmer/bm.)

Одним из наиболее изящных примеров природных двигателей такого рода являются молекулярные моторы так называемых флагелл – тех длинных жгугообразных отростков, с помощью которых движутся бактерии. В основании каждого такого жгутика располагается микроскопический «броуновский мотор», состоящий из нескольких белковых молекул, к которым присоединен длинный гибкий хвостик, сложенный из нескольких молекул белка флагеллина. Недавно японский ученый Иокомура и его коллеги сумели вскрыть все основные детали работы броуновских моторов флагелл, и это позволяет надеяться в скором времени перенести принципы их устройства в микротехнику.

Но мысль исследователей, занимающихся «броуновскими моторами», уже идет и дальше. Как говорится в последних сообщениях, на недавней конференции по молекулярной нанотехнологии, прошедшей в Соединенных Штатах, группа инженеров из штата Юта доложила о проекте совершенно нового типа микродвигателя, основанного на… «бактериальной тяге». Этот мотор предлагается для создания миниатюрного биоробота, который был бы способен двигаться внутри человеческого организма, наподобие многократно уменьшенных героев из азимовского «Фантастического путешествия», и производить там все нужные медицинские действия и процедуры.